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Computational Musculoskeletal Finite Element Model Studies of a Knee Joint during Stair Ascent

Amirhossein Makani

Master's thesis (2022)

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Abstract

The knee is a highly loaded joint in the human body that undergoes large movements in various daily activities. As a result, it is vulnerable to failure and degeneration. About a third of joint disorders originate from the patellofemoral (PF) region that is highly loaded in many activities as squat lifting, kneeling and stair ascent. As one of the most commonly injured joints of the human body, the knee suffers from osteoarthritis (OA) more than any other weight bearing joint. OA is destructive to the knee joint by degrading its lubrication, mechanical properties, composition, and morphology. Obesity, heavy daily tasks (Stair ascent for instance) and existing injuries place the knee at even a higher risk of OA initiation and progression. Results of the 3rd National Health and Nutrition Examination Survey (1988-1994) on 6596 older adults (>60 years) revealed that merely 18.1% of US men and 23.5% of US women suffered from knee pain with the prevalence rising with age. Knee pains are also more common in women than men. A sound and generally accepted hypothesis is that the initiation and progression of OA are associated with both abnormal changes in contact areas and elevated magnitude of contact stresses. There is a clear dose-response correlation between knee OA symptoms and heavy work activities such as kneeling, squatting, stair climbing, and lifting. Total knee arthroplasty (TKA) is a common procedure with up to 20% failure likely requiring revision surgery. It is predicted that the number of TKA procedures rises by 2030 to an estimated 3.5 million procedures per year. Anterior cruciate ligament (ACL) injuries are more common among younger population, especially in female athletes. Male athletes are at a 5 times lower risk of ACL tears in comparison with their female counterparts. Even with a relatively high chance of success for ACL reconstruction surgeries, ACL deficient patients are prone to a high risk of long-term knee diseases especially OA. Compared to the level walking as the most popular daily activity, stair ascent is less frequent but a much more demanding activity with especially much greater PF contact forces. Stair ascent is an activity with greater hip and knee sagittal moments and angles when compared to the level walking. Accurate quantification of the knee joint biomechanics in stair ascent is of great help not only in the injury and degeneration prevention but also in the improved design of implants, and rehabilitation and treatment strategies when managing knee joint disorders.

Résumé

Le genou est une articulation très chargée dans le corps humain qui subit de grands mouvements dans diverses activités quotidiennes. Les dommages aux structures du genou sont associées à des charges internes importantes. Environ un tiers des troubles articulaires proviennent de la région fémoropatellaire (FP) qui fait de la montée des escaliers une activité exigeante pour les patients. En tant que l'une des articulations les plus fréquemment blessées du corps humain, le genou souffre d'arthrose (OA) plus que toute autre articulation portante. L'arthrose est destructrice pour l'articulation du genou en dégradant sa lubrification, ses propriétés mécaniques, sa composition et sa morphologie. L'obésité, les tâches quotidiennes lourdes (montée d'escaliers par exemple) et les blessures existantes exposent le genou à un risque encore plus élevé d'initiation et de progression de l'arthrose. Les résultats de la 3e enquête nationale sur la santé et la nutrition (1988-1994) sur 6596 adultes âgés (> 60 ans) ont révélé que 18,1 % des hommes américains et 23,5 % des femmes américaines souffraient de douleurs au genou, la prévalence augmentant avec l'âge. Les douleurs au genou sont également plus fréquentes chez les femmes que chez les hommes. Une hypothèse raisonnable et généralement acceptée est que l'initiation et la progression de l'arthrose sont associées à la fois à des changements anormaux dans les zones de contact et à une amplitude élevée des contraintes de contact. Il existe une corrélation dose-réponse claire entre les symptômes de l'arthrose du genou et les activités de travail pénibles telles que s'agenouiller, s'accroupir, monter des escaliers et soulever des objets. L'arthroplastie totale du genou (TKA) est un traitement éprouvé avec jusqu'à 20 % d'échec nécessitant probablement une reprise chirurgicale. C'est estimé que le nombre de procédures TKA d'ici 2030, avec 3,5 millions de procédures par an, connaîtra une forte augmentation. Les lésions du ligament croisé antérieur (LCA) sont plus fréquentes chez les jeunes, en particulier chez les athlètes féminines. Les athlètes masculins courent un risque 5 fois plus faible de déchirures du LCA par rapport aux femmes. Même avec une chance de succès relativement élevée pour les chirurgies de reconstruction du LCA, les patients avec un LCA déficient sont sujets à un risque élevé de maladies du genou à long terme, en particulier l'arthrose. Par rapport à la marche en palier comme l'activité quotidienne la plus populaire, la montée d'escaliers est moins fréquente mais une activité beaucoup plus exigeante avec surtout des forces de contact PF beaucoup plus importantes. La montée d'escaliers est une activité avec des moments et des angles sagittaux de la hanche et du genou plus importants que la marche à niveau.

Department: Department of Mechanical Engineering
Program: Génie mécanique
Academic/Research Directors: Aboulfazl Shirazi-Adl
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/10322/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 07 Oct 2022 14:58
Last Modified: 09 Oct 2023 10:06
Cite in APA 7: Makani, A. (2022). Computational Musculoskeletal Finite Element Model Studies of a Knee Joint during Stair Ascent [Master's thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/10322/

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