Construção e validação qualitativa de um modelo de elementos finitos para a simulação mecânica do joelho humano

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia MecânicaO joelho humano é a articulação mecanicamente mais solicitada da estrutura esquelética humana. Devido a isto, grande número de lesões estão associadas a ele, tais como rompimentos totais e parciais dos ligamentos, fissuras e lesões nos meniscos, fraturas ósseas, artrites entre outras

Simulação numérica tridimensional da mecânica do joelho humano Three-dimensional numerical simulation of human knee joint mechanics

OBJETIVO: Por ser a articulação mecanicamente mais solicitada de nossa estrutura e pelo grande número de lesões associadas, motivaram a construção de um modelo tridimensional da articulação do joelho humano para simular a cinemática da articulação e obter as solicitações mecânicas nos principais ligamentos durante o movimento de flexão do joelho. Essas informações podem futuramente ser empregada como ferramenta de apoio à decisão médica em ortopedia, fornecendo subsídios na escolha do procedimento cirúrgico. MÉTODOS: Método dos Elementos Finitos foi utilizado para construir um modelo biomecânico, tridimensional, da articulação do joelho. Nesse modelo com seis graus de liberdade é aplicado movimento de flexão/extensão sendo os demais cinco graus de liberdade governados pelas interações entre os componentes da articulares. RESULTADOS: Foram obtidas informações dos movimentos, das rotações interna/externa e adução/abdução, das translações anterior/posterior, lateral/medial e superior/inferior e dos esforços nos quatro principais ligamentos articulares, no decorrer de um amplo movimento de flexão/extensão. Estes valores foram comparados, de forma qualitativa, com valores equivalentes obtidos na literatura. CONCLUSÃO: A análise de resultados permitiu observar que vários aspectos cinemáticos são satisfatoriamente reproduzidos. A pré-carga inicial dos ligamentos e o posicionamento das inserções ligamentares no modelo mostraram-se variáveis relevantes nos resultados.OBJECTIVE: The knee joint is the part of our structure upon which most mechanical demands are placed and a large number of lesions are associated to it. These factors motivated the construction of a three-dimensional model of the human knee joint in order to simulate joint kinematics and obtain the mechanical demands on the main ligaments during knee flexion movements. METHODS: The finite elements method was used to build a three-dimensional, biomechanical model of the knee joint. In this model with six degrees of freedom, the flexion/extension movement is applied, while the other five degrees of freedom are governed by the interactions between joint components. RESULTS: Data was collected on the movements, on the internal/external and adduction/ abduction rotations, on the anterior/posterior, lateral/medial and upper/lower translations, and on the forces acting upon the four main joint ligaments, during a wide flexion/extension movement. These values were qualitatively compared with comparable values available in the literature. CONCLUSIONS: It was observed through an analysis of the results that several kinematic aspects are satisfactorily reproduced. The initial pre-load of the ligaments and the positioning of the ligament insertions in the model were shown to be relevant variables in the results