Published June 22, 2023 | Version v1
Publication Open

Biomechanical effects of the medial meniscus horizontal tear and the resection strategy on the rabbit knee joint under resting state: finite element analysis

Creators

  • 1. Beihang University
  • 2. Peking University
  • 3. Peking University Third Hospital

Description

The biomechanical changes following meniscal tears and surgery could lead to or accelerate the occurrence of osteoarthritis. The aim of this study was to investigate the biomechanical effects of horizontal meniscal tears and different resection strategies on a rabbit knee joint by finite element analysis and to provide reference for animal experiments and clinical research. Magnetic resonance images of a male rabbit knee joint were used to establish a finite element model with intact menisci under resting state. A medial meniscal horizontal tear was set involving 2/3 width of a meniscus. Seven models were finally established, including intact medial meniscus (IMM), horizontal tear of the medial meniscus (HTMM), superior leaf partial meniscectomy (SLPM), inferior leaf partial meniscectomy (ILPM), double-leaf partial meniscectomy (DLPM), subtotal meniscectomy (STM), and total meniscectomy (TTM). The axial load transmitted from femoral cartilage to menisci and tibial cartilage, the maximum von Mises stress and the maximum contact pressure on the menisci and cartilages, the contact area between cartilage to menisci and cartilage to cartilage, and absolute value of the meniscal displacement were analyzed and evaluated. The results showed that the HTMM had little effect on the medial tibial cartilage. After the HTMM, the axial load, maximum von Mises stress and maximum contact pressure on the medial tibial cartilage increased 1.6%, 1.2%, and 1.4%, compared with the IMM. Among different meniscectomy strategies, the axial load and the maximum von Mises stress on the medial menisci varied greatly. After the HTMM, SLPM, ILPM, DLPM, and STM, the axial load on medial menisci decreased 11.4%, 42.2%, 35.4% 48.7%, and 97.0%, respectively; the maximum von Mises stress on medial menisci increased 53.9%, 62.6%, 156.5%, and 65.5%, respectively, and the STM decreased 57.8%, compared to IMM. The radial displacement of the middle body of the medial meniscal was larger than any other part in all the models. The HTMM led to few biomechanical changes in the rabbit knee joint. The SLPM showed minimal effect on joint stress among all resection strategies. It is recommended to preserve the posterior root and the remaining peripheral edge of the meniscus during surgery for an HTMM.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

يمكن أن تؤدي التغيرات الميكانيكية الحيوية بعد تمزق الغضروف الهلالي والجراحة إلى حدوث الفصال العظمي أو تسريع حدوثه. كان الهدف من هذه الدراسة هو التحقيق في الآثار الميكانيكية الحيوية للتمزقات الهلالية الأفقية واستراتيجيات الاستئصال المختلفة على مفصل ركبة الأرنب عن طريق تحليل العناصر المحدودة وتوفير مرجع للتجارب على الحيوانات والبحوث السريرية. تم استخدام صور الرنين المغناطيسي لمفصل ركبة أرنب ذكر لإنشاء نموذج عنصر محدود مع غضروف هلالي سليم تحت حالة الراحة. تم تعيين تمزق أفقي هلالي إنسي يتضمن 2/3 عرض الغضروف الهلالي. تم أخيرًا إنشاء سبعة نماذج، بما في ذلك الغضروف المفصلي الإنسي السليم (IMM)، والتمزق الأفقي للغضروف المفصلي الإنسي (HTMM)، واستئصال الغضروف المفصلي الجزئي العلوي (SLPM)، واستئصال الغضروف المفصلي الجزئي السفلي (ILPM)، واستئصال الغضروف المفصلي الجزئي المزدوج (DLPM)، واستئصال الغضروف المفصلي الجزئي الجزئي الجزئي (STM)، واستئصال الغضروف المفصلي الكلي (TTM). تم تحليل وتقييم الحمل المحوري المنتقل من الغضروف الفخذي إلى الغضروف الهلالي والغضروف الظنبوبي، والحد الأقصى لإجهاد فون ميزيس والحد الأقصى لضغط التلامس على الغضروف الهلالي والغضاريف، ومنطقة التلامس بين الغضروف إلى الغضروف الهلالي والغضروف إلى الغضروف، والقيمة المطلقة للإزاحة الهلالية. أظهرت النتائج أن HTMM كان له تأثير ضئيل على الغضروف الظنبوبي الإنسي. بعد HTMM، زاد الحمل المحوري والحد الأقصى لإجهاد فون ميزيس والحد الأقصى لضغط التلامس على الغضروف الظنبوبي الإنسي بنسبة 1.6 ٪ و 1.2 ٪ و 1.4 ٪، مقارنة بـ IMM. من بين استراتيجيات استئصال الهلالة المختلفة، تباين الحمل المحوري والحد الأقصى لضغط فون ميزس على الهلالة الإنسية بشكل كبير. بعد HTMM و SLPM و ILPM و DLPM و STM، انخفض الحمل المحوري على الغضروف الإنسي بنسبة 11.4 ٪ و 42.2 ٪ و 35.4 ٪ 48.7 ٪ و 97.0 ٪ على التوالي ؛ زاد الحد الأقصى لضغط فون ميزس على الغضروف الإنسي بنسبة 53.9 ٪ و 62.6 ٪ و 156.5 ٪ و 65.5 ٪ على التوالي، وانخفض STM بنسبة 57.8 ٪، مقارنة بـ IMM. كان الإزاحة الكعبرية للجسم الأوسط من الغضروف الهلالي الإنسي أكبر من أي جزء آخر في جميع النماذج. أدى HTMM إلى تغييرات ميكانيكية حيوية قليلة في مفصل ركبة الأرنب. أظهر اختبار SLPM تأثيرًا ضئيلًا على إجهاد المفاصل بين جميع استراتيجيات الاستئصال. يوصى بالحفاظ على الجذر الخلفي والحافة الطرفية المتبقية من الغضروف المفصلي أثناء الجراحة لـ HTMM.

Translated Description (French)

Les changements biomécaniques consécutifs aux déchirures méniscales et à la chirurgie pourraient entraîner ou accélérer la survenue de l'arthrose. L'objectif de cette étude était d'étudier les effets biomécaniques des déchirures méniscales horizontales et des différentes stratégies de résection sur une articulation du genou de lapin par analyse par éléments finis et de fournir une référence pour les expériences animales et la recherche clinique. Des images par résonance magnétique d'une articulation de genou de lapin mâle ont été utilisées pour établir un modèle d'éléments finis avec des ménisques intacts au repos. Une déchirure horizontale méniscale médiale a été mise en place impliquant les 2/3 de la largeur d'un ménisque. Sept modèles ont finalement été établis, notamment le ménisque médial intact (IMM), la déchirure horizontale du ménisque médial (HTMM), la méniscectomie partielle foliaire supérieure (SLPM), la méniscectomie partielle foliaire inférieure (ILPM), la méniscectomie partielle à double feuille (DLPM), la méniscectomie sous-totale (STM) et la méniscectomie totale (TTM). La charge axiale transmise du cartilage fémoral aux ménisques et au cartilage tibial, la contrainte maximale de von Mises et la pression maximale de contact sur les ménisques et les cartilages, l'aire de contact entre le cartilage et les ménisques et entre le cartilage et le cartilage, ainsi que la valeur absolue du déplacement méniscal ont été analysées et évaluées. Les résultats ont montré que l'HTMM avait peu d'effet sur le cartilage tibial médial. Après l'HTMM, la charge axiale, la contrainte de von Mises maximale et la pression de contact maximale sur le cartilage tibial médial ont augmenté de 1,6%, 1,2% et 1,4%, par rapport à l'IMM. Parmi les différentes stratégies de méniscectomie, la charge axiale et la contrainte maximale de von Mises sur les ménisques médiaux variaient considérablement. Après l'HTMM, le SLPM, l'ILPM, le DLPM et le STM, la charge axiale sur les ménisques médians a diminué de 11,4 %, 42,2 %, 35,4 %, 48,7 % et 97,0 %, respectivement ; le stress maximal de von Mises sur les ménisques médians a augmenté de 53,9 %, 62,6 %, 156,5 % et 65,5 %, respectivement, et le STM a diminué de 57,8 %, par rapport à l'IMM. Le déplacement radial du corps médian du ménisque médial était plus important que toute autre partie dans tous les modèles. L'HTMM a entraîné peu de changements biomécaniques dans l'articulation du genou du lapin. Le SLPM a montré un effet minimal sur le stress articulaire parmi toutes les stratégies de résection. Il est recommandé de préserver la racine postérieure et le bord périphérique restant du ménisque lors d'une intervention chirurgicale pour un HTMM.

Translated Description (Spanish)

Los cambios biomecánicos posteriores a los desgarros de menisco y la cirugía podrían provocar o acelerar la aparición de osteoartritis. El objetivo de este estudio fue investigar los efectos biomecánicos de los desgarros meniscales horizontales y las diferentes estrategias de resección en una articulación de rodilla de conejo mediante análisis de elementos finitos y proporcionar referencia para experimentos con animales e investigación clínica. Se utilizaron imágenes de resonancia magnética de una articulación de rodilla de conejo macho para establecer un modelo de elementos finitos con meniscos intactos en estado de reposo. Se estableció un desgarro horizontal del menisco medial que involucró 2/3 del ancho de un menisco. Finalmente se establecieron siete modelos, que incluyen menisco medial intacto (IMM), desgarro horizontal del menisco medial (HTMM), meniscectomía parcial de la hoja superior (SLPM), meniscectomía parcial de la hoja inferior (ILPM), meniscectomía parcial de doble hoja (DLPM), meniscectomía subtotal (STM) y meniscectomía total (TTM). Se analizó y evaluó la carga axial transmitida desde el cartílago femoral a los meniscos y al cartílago tibial, la tensión máxima de von Mises y la presión de contacto máxima sobre los meniscos y cartílagos, el área de contacto entre el cartílago y los meniscos y entre el cartílago y el cartílago, y el valor absoluto del desplazamiento meniscal. Los resultados mostraron que el HTMM tuvo poco efecto sobre el cartílago tibial medial. Después de la HTMM, la carga axial, la tensión máxima de von Mises y la presión máxima de contacto sobre el cartílago tibial medial aumentaron un 1,6%, 1,2% y 1,4%, en comparación con la IMM. Entre las diferentes estrategias de meniscectomía, la carga axial y el estrés máximo de von Mises en los meniscos mediales variaron mucho. Después del HTMM, SLPM, ILPM, DLPM y STM, la carga axial en los meniscos mediales disminuyó un 11,4%, 42,2%, 35,4%, 48,7% y 97,0%, respectivamente; el estrés máximo de von Mises en los meniscos mediales aumentó un 53,9%, 62,6%, 156,5% y 65,5%, respectivamente, y el STM disminuyó un 57,8%, en comparación con el IMM. El desplazamiento radial del cuerpo medio del menisco medial fue mayor que cualquier otra parte en todos los modelos. El HTMM condujo a pocos cambios biomecánicos en la articulación de la rodilla del conejo. El SLPM mostró un efecto mínimo sobre el estrés articular entre todas las estrategias de resección. Se recomienda preservar la raíz posterior y el borde periférico restante del menisco durante la cirugía para un HTMM.

Files

pdf.pdf

Files (2.3 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:9f33a002eb9abcd6eace2e1db47cbefd
2.3 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
التأثيرات الميكانيكية الحيوية للتمزق الأفقي للغضروف الهلالي الإنسي واستراتيجية الاستئصال على مفصل ركبة الأرنب تحت حالة الراحة: تحليل العناصر المحدودة
Translated title (French)
Effets biomécaniques de la déchirure horizontale du ménisque médial et de la stratégie de résection sur l'articulation du genou du lapin au repos : analyse par éléments finis
Translated title (Spanish)
Efectos biomecánicos del desgarro horizontal del menisco medial y la estrategia de resección en la articulación de la rodilla del conejo en estado de reposo: análisis de elementos finitos

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4381736232
DOI
10.3389/fbioe.2023.1164922

Is supplement to
https://openalex.org/W4313385048 (Other)
https://openalex.org/W2968347375 (Other)
https://openalex.org/W2419263421 (Other)
https://openalex.org/W2368891483 (Other)
https://openalex.org/W2289149327 (Other)
https://openalex.org/W2183091916 (Other)
https://openalex.org/W2147404105 (Other)
https://openalex.org/W2079674236 (Other)
https://openalex.org/W2067132301 (Other)
https://openalex.org/W1965432215 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
China

References

  • https://openalex.org/W105686801
  • https://openalex.org/W1981494662
  • https://openalex.org/W1991134365
  • https://openalex.org/W1999893828
  • https://openalex.org/W2004082448
  • https://openalex.org/W2007223529
  • https://openalex.org/W2021306415
  • https://openalex.org/W2025387481
  • https://openalex.org/W2027264081
  • https://openalex.org/W2058559623
  • https://openalex.org/W2062464519
  • https://openalex.org/W2064850196
  • https://openalex.org/W2065989775
  • https://openalex.org/W2074773530
  • https://openalex.org/W2087241072
  • https://openalex.org/W2104044196
  • https://openalex.org/W2151568885
  • https://openalex.org/W2153184982
  • https://openalex.org/W2161003643
  • https://openalex.org/W2261982336
  • https://openalex.org/W2289321255
  • https://openalex.org/W2290454965
  • https://openalex.org/W2547133785
  • https://openalex.org/W2560090461
  • https://openalex.org/W2771880620
  • https://openalex.org/W2796049886
  • https://openalex.org/W2805714267
  • https://openalex.org/W2885820856
  • https://openalex.org/W2898763806
  • https://openalex.org/W2913232065
  • https://openalex.org/W2923331280
  • https://openalex.org/W2953236480
  • https://openalex.org/W2964812527
  • https://openalex.org/W2990648061
  • https://openalex.org/W3036053879
  • https://openalex.org/W3156968706
  • https://openalex.org/W3195037546
  • https://openalex.org/W3197847641
  • https://openalex.org/W3209330172
  • https://openalex.org/W4221089074
  • https://openalex.org/W4224274531
  • https://openalex.org/W4229546338
  • https://openalex.org/W4286252284
  • https://openalex.org/W4303980787
  • https://openalex.org/W797071316