Numerical simulation of strain-adaptive bone remodelling in the ankle joint

Background: The use of artificial endoprostheses has become a routine procedure for knee and hip joints while ankle arthritis has traditionally been treated by means of arthrodesis. Due to its advantages, the implantation of endoprostheses is constantly increasing. While finite element analyses (FEA) of strain-adaptive bone remodelling have been carried out for the hip joint in previous studies, to our knowledge there are no investigations that have considered remodelling processes of the ankle joint. In order to evaluate and optimise new generation implants of the ankle joint, as well as to gain additional knowledge regarding the biomechanics, strain-adaptive bone remodelling has been calculated separately for the tibia and the talus after providing them with an implant. Methods: FE models of the bone-implant assembly for both the tibia and the talus have been developed. Bone characteristics such as the density distribution have been applied corresponding to CT scans. A force of 5,200 N, which corresponds to the compression force during normal walking of a person with a weight of 100 kg according to Stauffer et al., has been used in the simulation. The bone adaptation law, previously developed by our research team, has been used for the calculation of the remodelling processes. Results: A total bone mass loss of 2% in the tibia and 13% in the talus was calculated. The greater decline of density in the talus is due to its smaller size compared to the relatively large implant dimensions causing remodelling processes in the whole bone tissue. In the tibia, bone remodelling processes are only calculated in areas adjacent to the implant. Thus, a smaller bone mass loss than in the talus can be expected. There is a high agreement between the simulation results in the distal tibia and the literature regarding. Conclusions: In this study, strain-adaptive bone remodelling processes are simulated using the FE method. The results contribute to a better understanding of the biomechanical behaviour of the ankle joint and hence are useful for the optimisation of the implant geometry in the future.

Caracterização do ciclo da marcha em amputado transtibial com prótese inteligente

This work presents an application of optical fiber sensors based on Bragg gratings integrated to a transtibial prosthesis tube manufactured with a polymeric composite systrem of epoxy resin reinforced with glass fiber. The main objective of this study is to characterize the sensors applied to the gait cycle and changes in the gravity center of a transtibial amputee, trough the analysis of deformation and strengh of the transtibial prosthesis tube. For this investigation it is produced a tube of the composite material described above using the molding method of resin transfer (RTM) with four optical sensors. The prosthesis in which the original tube is replaced is classified as endoskeletal, has vacuum fitting, aluminium conector tube and carbon fiber foot cushioning. The volunteer for the tests was a man of 41 years old, 1.65 meters tall, 72 kilograms and left-handed. His amputation occurred due to trauma (surgical section is in the medial level, and was made below the left lower limb knee). He has been a transtibial prosthesis user for two years and eight months. The characterization of the optical sensors and analysis of mechanical deformation and tube resistance occurred through the gait cycle and the variation of the center of gravity of the body by the following tests: stand up, support leg without the prosthesis, support in the leg with the prosthesis, walk forward and walk backward. Besides the characterization of optical sensors during the gait cycle and the variation of the gravity center in a transtibial amputated, the results also showed a high degree of integration of the sensors in the composite and a high mechanical strength of the material.

A rolling-gliding wear simulator for the investigation of tribological material pairings for application in total knee arthroplasty

Background: Material wear testing is an important technique in the development and evaluation of materials for use in implant for total knee arthroplasty. Since a knee joint induces a complex rolling-gliding movement, standardised material wear testing devices such as Pin-on-Disc or Ring-on-Disc testers are suitable to only a limited extent because they generate pure gliding motion only.Methods: A rolling-gliding wear simulator was thus designed, constructed and implemented, which simulates and reproduces the rolling-gliding movement and loading of the knee joint on specimens of simplified geometry. The technical concept was to run a base-plate, representing the tibia plateau, against a pivoted cylindrical counter-body, representing one femur condyle under an axial load. A rolling movement occurs as a result of the friction and pure gliding is induced by limiting the rotation of the cylindrical counter-body. The set up also enables simplified specimens handling and removal for gravimetrical wear measurements. Long-term wear tests and gravimetrical wear measurements were carried out on the well known material pairings: cobalt chrome-polyethylene, ceramic-polyethylene and ceramic-ceramic, over three million motion cycles to allow material comparisons to be made.Results: The observed differences in wear rates between cobalt-chrome on polyethylene and ceramic on polyethylene pairings were similar to the differences of published data for existing material-pairings. Test results on ceramic-ceramic pairings of different frontal-plane geometry and surface roughness displayed low wear rates and no fracture failures.Conclusions: The presented set up is able to simulate the rolling-gliding movement of the knee joint, is easy to use, and requires a minimum of user intervention or monitoring. It is suitable for long-term testing, and therefore a useful tool for the investigation of new and promising materials which are of interest for application in knee joint replacement implants. © 2010 Richter et al; licensee BioMed Central Ltd.

3D Porous Architecture of Stacks of β-TCP Granules Compared with That of Trabecular Bone: A microCT, Vector Analysis, and Compression Study

International audience

Bone Mass and Bone Quality Are Altered by Hypoactivity in the Chicken

International audience

Vector analysis of porosity evidences bone loss at the epiphysis in the BTX rat model of disuse osteoporosis

International audience

Complications associated with closing wedge ostectomy procedure for treatment of cranial cruciate ligament rupture in dogs : a retrospective study of 145 cases

Dissertação de Mestrado Integrado em Medicina Veterinária

Associações entre a potência muscular dos membros inferiores e a saúde óssea avaliada através de ultrassonografia quantitativa

Objetivo: Analisar as associações entre a potência muscular dos membros inferiores e a saúde óssea avaliada através de ultrassonografia quantitativa. Métodos: A amostra incluiu 63 crianças de 9 anos de idade. A velocidade de som (VS) do rádio e da tíbia foi avaliada através de ultrassonografia quantitativa, a potência de salto foi estimada a partir de um salto vertical com contramovimento e a maturidade somática foi determinada a partir da estimação do pico de velocidade em altura. O estado geral de saúde e o historial de fraturas foram avaliados através de questionário. As associações entre medidas dos parâmetros ósseos e a potência de salto foram analisadas através de correlações bivariadas, com as variáveis expressas em valores absolutos e relativos (estandardizados). Resultados: Foram observadas associações positivas entre a maturidade somática e a potência de salto expressa tanto em valores absolutos como relativos (p <0,05). A maturidade somática correlacionou-se ainda positivamente com a VS da tíbia nas raparigas (r=0,358, p=0,045), enquanto nos rapazes se verificou uma associação negativa, embora não significativa (r=-0,290, p=0,126). Observou-se uma associação ou propensão para associação negativa entre a VS da tíbia e a potência de salto nos rapazes (r=-0,490, p=0,007) e nas raparigas (r=-0,344, p=0,054). Conclusão: A potência de salto não parece constituir um bom marcador da saúde óssea de rapazes e raparigas de 9 anos de idade quando avaliada através de ultrassom.

Evaluación de un implante de células madre mesenquimales modificadas genéticamente con proteínas morfogenéticas de huesos para la osteogénesis en ovis aries

Propósito y Método del Estudio: Introducción. La generación de implantes para el tratamiento y regeneración de afecciones del tejido óseo representan una enorme oportunidad de desarrollo e innovación para muchos campos de la salud humana. Metodología: nosotros generamos un implante de tres componentes (I-3C) constituido por células madre mesenquimales (CMMs), transducidas ex vivo con un vector adenoviral que expresa una combinación de las proteínas morfogenéticas de hueso 2 y 7 (AdBMP2/7), embebidas en una matriz ósea desmineralizada (MOD). Este implante fue probado en un modelo ovino (Ovis aries) en una lesión sometida a carga. Resultados: los ensayos in vitro demostraron que el tratamiento seleccionado con mayor potencial osteogénico es el que contiene la combinación AdBMP2/7 comprobado por PCR en tiempo real, Western Blot y tinciones histológicas e inmunohistoquímicas para las proteínas marcadoras de inducción a hueso, osteocalcina y colágeno tipo I. El implante fue colocado en la zona de la lesión, creada por una distracción en la diáfisis media de la tibia. Se probaron tres grupos de experimentación: control 1 sin implante (S-I); control 2 implante con CMMs (I-CMMs); implante de 3 componentes CMMs modificadas genéticamente con adenovirus que expresan proteínas morfogenéticas de hueso 2 y 7 que se encuentran embebidas en una matriz de hueso desmineralizado (I-3C). Resultados: el seguimiento radiográfico por 10 semanas después de la distracción ósea demostró una reducción en el tiempo de consolidación del grupo I-3C. La tomografía computarizada demostró en ese mismo grupo, una forma y estructura del hueso postmortem muy parecida a la de una tibia sin lesión. Estos hallazgos fueron corroborados por los ensayos de compresión e histológicos, demostrando que la calidad del hueso nuevo formado fue mayor que la de los grupos sin implante y con CMMs sin modificación genética. Contribuciones y Conclusiones: se logró desarrollar un implante de tres componentes constituido por células madre mesenquimales (CMMs), transducidas ex vivo con un vector adenoviral que expresa una combinación de las proteínas morfogenéticas de hueso 2 y 7 (AdBMP2/7), que nos permitirá continuar con los estudios clínicos necesarios para evaluar principalmente defectos en huesos y enfermedades relacionadas con el sistema óseo.

Indagine biomeccanica del dispositivo di fissazione esterna Rekrea per l'allungamento degli arti

L'allungamento controllato monofocale viene eseguito nel caso di discrepanze della lunghezza degli arti. Il dispositivo Rekrea, ideato e realizzato dall'azienda Citieffe, viene utilizzato per lo svolgimento di tale trattamento. La stabilità del sistema di fissazione esterna è un fattore cruciale per il successo di un trattamento di allungamento osseo ma difficile da raggiungere in quanto dipendente da numerose variabili. Nello specifico, questo lavoro di tesi verte sullo studio del comportamento meccanico dei singoli morsetti Small e Standard e dell'innovativa configurazione Tandem impiegati in due contesti clinici particolari: i pazienti acondroplasici ed il trattamento di allungamento di tibia. A seguito di una iniziale ricerca bibliografica, sono state pianificate e svolte delle prove meccaniche di diverse configurazioni per caratterizzare il comportamento di tali dispositivi. Attraverso un'analisi dei risultati ottenuti è stato evidenziato quanto il singolo morsetto Small conferisca un'elevata rigidezza del costrutto e permetta di ridurre la distanza morsetto - analogo osseo. In più è stato evidenziato come la configurazione Tandem sia risultata un buon sostituto del morsetto Sandwich ed in particolare, come l'utilizzo di tre viti ossee conferisca una maggiore rigidezza del costrutto.

Analisi cinematica dell'articolazione della caviglia tramite risonanza magnetica dinamica

Il piede è la struttura anatomica multi-articolare che media il contatto dell’apparato muscoloscheletrico con il suolo ed è, quindi, fondamentale per la locomozione e per la maggioranza dei task motori. Per questo, l’analisi cinematica intrarticolare in-vivo del complesso piede-caviglia risulta essere di grande interesse in ambito biomeccanico e in ambito clinico. La quantificazione del moto relativo è, però, complessa a causa del numero di ossa presenti nel piede, ben 26, e alla loro distribuzione. Tali limitazioni possono essere superate ricorrendo a misure in risonanza magnetica dinamica (DMRI). Questo elaborato presenta un primo approccio esplorativo per determinare la cinematica del piede. In particolare l’analisi si è concentrata, per semplicità, sullo studio del retropiede, quindi sul moto relativo tra tibia, talo e calcagno, nel caso di flessione plantare libera, ovvero senza alcun carico applicato. Il complesso piede-caviglia è stato scansionato suddividendo il range di movimento in 13 pose statiche. Da ognuna delle 13 acquisizioni di tipo volumetrico sono state simulate delle scansioni dinamiche, in modo da ottenere una cinematica certa di riferimento, per poter valutare la precisione dell’algoritmo utilizzato. La ricostruzione della cinematica tridimensionale del complesso esaminato si è basata su un algoritmo di registrazione, composto da un primo processo di inizializzazione semiautomatico ed una successiva registrazione 2D/3D automatica basata sull’intensità dei voxel. Di particolare interesse in questa indagine è la ricostruzione dei tre moti relativi: tibia-talo, tibia-calcagno e talo-calcagno. Per valutare la precisione dell’algoritmo nella ricostruzione della cinematica è stato calcolato l’errore medio in valore assoluto tra le coordinate dei modelli nelle pose di riferimento e le coordinate fornite dal codice. I risultati ottenuti sono di notevole interesse visto il carattere esplorativo dello studio.