Движение надколенника и дисфункция его стабилизаторов в биомеханической модели коленного сустава

Цель. Разработка биомеханической модел и коленного сустава, включающей детальное представление пателлофеморального сегмента для нормальной анатомии костей, суставов, связок и мышц, а также изучение движения надколенника во время пассивного сгибания колена.

Материалы и методы. Архитектура биомеханической модели была разработана с использованием открытой платформы для биомеханического моделирования OpenSim. В модель был включен пателлофеморальный сустав с 6 степенями свободы, стабилизаторы надколенника – медиальная пателлофеморальная связка (medial patellofemoral ligament, MPFL), медиальная пателлотибиальная связка (medial patellotibial ligament, MPTL), латеральный ретинакулум (lateral retinaculum, LR) и контактные поверхности надколенника (фасетки). Для генерации контактных поверхностей использовались пакеты Gmsh и Paraview. Были проведены симуляции пассивного сгибания колена с последовательным исключением стабилизаторов надколенника для выявления их влияния на движение надколенника.

Результаты. Представленная биомеханическая модель позволяет провести детальный анализ нормальной динамики надколенника и роли различных анатомических структур в его функционировании и может быть использована для дальнейших экспериментов, исследующих движение надколенника. Результаты эксперимента, включающего все связки, соответствуют физиологической норме. Отключение MPTL имеет минимальное воздействие на наклон и смещение надколенника, что объясняется небольшим размером этой связки. Деактивация MPFL приводит к увеличению бокового наклона и смещения надколенника. Кроме того, деактивация компонентов LR 1 и 2 вызывает увеличение медиального наклона и смещения. Деактивация компонентов LR 3 и 4 приводит к боковому смещению и незначительному дополнительному медиальному наклону.

Заключение. Результаты вычислений показывают, что все связки вносят вклад в нормальное движение надколенника. Эти результаты подчеркивают важность стабилизирующих структур в поддержании стабильности надколенника во время сгибания колена.

1. Smith B.E., Selfe J., Thacker D., et al. Incidence and prevalence of patellofemoral pain: A systematic review and meta-analysis. PLoS One. 2018 Jan 11; 13(1): e0190892. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0190892. PMID: 29324820; PMCID: PMC5764329

2. Kamat Y., Prabhakar A., Shetty V., Naik A. Patellofemoral joint degeneration: A review of current management. J Clin Orthop Trauma. 2021 Nov 13; 24: 101690. https://doi.org/10.1016/j.jcot.2021.101690. PMID: 34900577; PMCID: PMC8636808

3. van Leeuwen G.J., de Schepper E.I.T., Bindels P.J.E., et al. Patellofemoral pain in general practice: the incidence and management. Fam Pract. 2023 Nov 23; 40(4): 589–595. https://doi.org/10.1093/fampra/cmad087. PMID: 37669000; PMCID: PMC10667070

4. Ferreira C.L., Oliveira Barroso F., Torricelli D., et al. Muscle synergies analysis shows altered neural strategies in women with patellofemoral pain during walking. PLoS One. 2023 Oct 5; 18(10): e0292464. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0292464. PMID: 37796922; PMCID: PMC10553307

5. Barroso Rosa S., Grant A., McEwen P. Patient-reported outcome measures for patellofemoral disorders: a systematic review. Arch Orthop Trauma Surg. 2023 Jul; 143(7): 3919–3927. https://doi.org/10.1007/s00402-022-04663-3. Epub 2022 Oct 19. PMID: 36260119

6. Talbot S., Zordan R., Bennett K., et al. Quadriceps tendon malalignment is an independent anatomical deformity which is the primary abnormality associated with lateral facet patellofemoral joint osteoarthritis. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc. 2023 Dec; 31(12): 5950–5961. https://doi.org/10.1007/s00167-023-07661-z. Epub 2023 Nov 21. PMID: 37989778

7. Li Z., Huang C., Leung K.L., et al. Strength and passive stiffness of the quadriceps are associated with patellar alignment in older adults with knee pain. Clin Biomech (Bristol, Avon). 2023 Dec; 110: 106131. https://doi.org/10.1016/j.clinbiomech.2023.106131. Epub 2023 Oct 24. PMID: 37925827

8. Brenneis M., Junker M., Sohn R., et al. Patellar malalignment correlates with increased pain and increased synovial stress hormone levels-A cross-sectional study. PLoS One. 2023 Jul 27; 18(7): e0289298. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0289298. PMID: 37498905; PMCID: PMC10374142

9. Elias J.J., Cosgarea A.J., Tanaka M.J. Adding tibial tuberosity medialization to medial patellofemoral ligament reconstruction reduces lateral patellar maltracking during multidirectional motion in a computational simulation model. Arthrosc Sports Med Rehabil. 2023 Jul 10; 5(4): 100753. https://doi.org/10.1016/j.asmr.2023.100753. PMID: 37645404; PMCID: PMC10461214

10. Little R.D., Smith S.E., Cicuttini F.M., et al. Association between increased signal intensity at the proximal patellar tendon and patellofemoral geometry in community-based asymptomatic middle-aged adults: a cross-sectional study. BMC Musculoskelet Disord. 2020 Aug 22; 21(1): 571. https://doi.org/10.1186/s12891-020-03589-4. PMID: 32828128; PMCID: PMC7443287

11. Hashimoto Y., Nishino K., Tomohiro T., et al. The remaining parameters of patellar instability could be affected for osteoarthritic change after medial patellofemoral ligament reconstruction with or without anteromedialization of the tibial tubercle osteotomy for patellar instability: a retrospective cohort study. BMC Musculoskelet Disord. 2023 Jan 23; 24(1): 56. https://doi.org/10.1186/s12891-022-06100-3. PMID: 36683021; PMCID: PMC9869604

12. Cerciello S., Lustig S., Costanzo G., Neyret P. Medial retinaculum reefi ng for the treatment for patellar instability. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc. 2014 Oct; 22(10): 2505–2512. https://doi.org/10.1007/s00167-014-3171-6. Epub 2014 Jul 25. PMID: 25059335

13. Rajagopal A., Dembia C.L., DeMers M.S., et al. Full-body musculoskeletal model for muscle-driven simulation of human gait. IEEE Trans Biomed Eng. 2016 Oct; 63(10): 2068–2079. https://doi.org/10.1109/TBME.2016.2586891. Epub 2016 Jul 7. PMID: 27392337; PMCID: PMC5507211

14. Bedo B.L.S, Catelli D.S., Lamontagne M., Santiago P.R.P. A custom musculoskeletal model for estimation of medial and lateral tibiofemoral contact forces during tasks with high knee and hip fl exions. Comput Methods Biomech Biomed Engin. 2020 Aug; 23(10): 658–663. https://doi.org/10.1080/10255842.2020.175766 2. Epub 2020 May 12. PMID: 32393120

15. Saxby D.J., Modenese L., Bryant A.L., et al. Tibiofemoral contact forces during walking, running and sidestepping. Gait Posture. 2016 Sep; 49: 78–85. https://doi.org/10.1016/j.gaitpost.2016.06.014. Epub 2016 Jun 21. PMID: 27391249

16. Lee M.R., Hicks J.L., Wren T.A.L., Delp S.L. Independently ambulatory children with spina bifi da experience near-typical knee and ankle joint moments and forces during walking. Gait Posture. 2023 Jan; 99: 1–8. https://doi.org/10.1016/j.gaitpost.2022.10.010. Epub 2022 Oct 18. PMID: 36283301; PMCID: PMC9772073

17. Adouni M., Alkhatib F., Gouissem A., Faisal T.R. Knee joint biomechanics and cartilage damage prediction during landing: A hybrid MD-FE-musculoskeletal modeling. PLoS One. 2023 Aug 3; 18(8): e0287479. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0287479. PMID: 37535559; PMCID: PMC10399834

18. Schmitz A., Piovesan D. Development of an open-source, discrete element knee model. IEEE Trans Biomed Eng. 2016 Oct; 63(10): 2056–2067. https://doi.org/10.1109/TBME.2016.2585926. Epub 2016 Jun 28. PMID: 27362757

19. Seth A., Hicks J.L, Uchida T.K., et al. OpenSim: Simulating musculoskeletal dynamics and neuromuscular control to study human and animal movement. PLoS Comput Biol. 2018 Jul 26; 14(7): e1006223. https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1006223. PMID: 30048444; PMCID: PMC6061994

20. Delp S.L., Anderson F.C., Arnold A.S., et al. OpenSim: opensource software to create and analyze dynamic simulations of movement. IEEE Trans Biomed Eng. 2007 Nov; 54(11): 1940–1950. https://doi.org/10.1109/TBME.2007.901024. PMID: 18018689

21. Hayden D.J., Doshi C., Parikh S.N. Lateral patellar retinaculum Z-lengthening. Arthrosc Tech. 2021 Jun 28; 10(7): e1883–e1887. https://doi.org/10.1016/j.eats.2021.04.010. PMID: 34336590; PMCID: PMC8322702

22. Frodl A., Lange T., Siegel M., et al. Individual infl uence of trochlear dysplasia on patellofemoral kinematics after isolated MPFL reconstruction. J Pers Med. 2022 Dec 12; 12(12): 2049. https://doi.org/10.3390/jpm12122049. PMID: 36556269; PMCID: PMC9786691

23. Abbaszadeh A., Saeedi M., Hoveidaei A.H., et al. Combined medial patellofemoral ligament and medial patellotibial ligament reconstruction in recurrent patellar instability: A systematic review and meta-analysis. World J Clin Cases. 2023 Jul 6; 11(19): 4625–4634. https://doi.org/10.12998/wjcc.v11.i19.4625. PMID: 37469731; PMCID: PMC10353511

24. Geuzaine C., Remacle J.-F. Gmsh: A 3-D fi nite element mesh generator with built-in pre- and post-processing facilities. Int. J. Numer. Meth. Engng., 2009; 79: 1309–1331. https://doi.org/10.1002/nme.2579

25. Ahrens J., Geveci B., Law C. 36 – ParaView: An end-user tool for large data visualization. Editors: Charles D. Hansen, Chris R. Johnson. The visualization handbook. Butterworth-Heinemann, 2005, 717–731. ISBN 9780123875822. https://doi.org/10.1016/B978-012387582-2/50038-1

26. Sherman M.A., Seth A., Delp S.L. Simbody: multibody dynamics for biomedical research. Procedia IUTAM. 2011; 2: 241–261. https://doi.org/10.1016/j.piutam.2011.04.023. PMID: 25866705; PMCID: PMC4390141

27. Loudon J.K. Biomechanics and pathomechanics of the patellofemoral joint. Int J Sports Phys Ther. 2016 Dec; 11(6): 820–830. PMID: 27904787; PMCID: PMC5095937

28. Mizu-Uchi H., Ma Y., Ishibashi S., et al. Tibial sagittal and rotational alignment reduce patellofemoral stresses in posterior stabilized total knee arthroplasty. Sci Rep. 2022 Jul 19; 12(1): 12319. https://doi.org/10.1038/s41598-022-15759-6. PMID: 35854017; PMCID: PMC9296446

29. Yu Z., Yao J., Wang X., et al. Research methods and progress of patellofemoral joint kinematics: a review. J Healthc Eng. 2019 Mar 24; 2019: 9159267. https://doi.org/10.1155/2019/9159267. PMID: 31019669; PMCID: PMC6451817

30. Tan S.H.S., Ngiam E.H.K., Lim J.Y., et al. Surgical management of patella alta in patellofemoral instability: a systematic review and meta-analysis. Orthop J Sports Med. 2021 Apr 21; 9(4): 2325967121999642. https://doi.org/10.1177/2325967121999642. PMID: 33997063; PMCID: PMC8072862

31. Baryeh K., Getachew F. Patella dislocation: an overview. Br J Hosp Med (Lond). 2021 Aug 2; 82(8): 1–10. https://doi.org/10.12968/hmed.2020.0429. Epub 2021 Aug 4. PMID: 34431342