Biomécanique de l'articulation du genou humain durant la marche - un modèle musculosquelettique hybride

L'articulation du genou est l'une des articulations les plus complexes du corps humain. Elle est exposée à des charges et des mouvements de grandeurs importantes pendant les activités professionnelles, récréatives et même quotidiennes. Cet environnement mécanique exigeant l'expose à diverses contraintes et déformations excessives, des blessures impliquant à la fois les articulations patello-fémorales (PF) et tibio-fémorales (TF). L'arthrose (OA) est l'un des troubles musculo-squelettiques les plus répandus touchant environ 27 millions d'adultes aux États-Unis seulement. La rupture du ligament croisé antérieur (LCA) est également une lésion articulaire commune avec une prévalence beaucoup plus élevée chez les sujets féminins que chez les sujets masculins. Une bonne connaissance de la biomécanique fonctionnelle de l'articulation du genou et des facteurs qui l'affectent, dans des conditions saines et pathologiques, est une condition préalable pour élaborer des stratégies efficaces pour la prévention et le traitement de ces blessures. Les modèles musculo-squelettiques (MS) de l'extrémité inférieure promettent d'améliorer notre compréhension de la fonction articulaire du genou, de ses blessures et aussi des programmes de prévention et des traitements associés. Plusieurs modèles analytiques et d'éléments finis (EF) avec différents degrés de précision et de raffinement ont été développés. Ils se sont présentés comme une alternative fiable aux méthodes expérimentales qui ont des limitations majeures, principalement liées à leurs coûts élevés, aux difficultés liées aux précisions des mesures et à la reproduction parfois impossible de certaines situations physiologiques. Cependant, de nombreuses hypothèses sont souvent formulées dans certains modèles MS (lors de l'estimation des forces musculaires et des forces de contacts articulaires). Le genou est généralement idéalisé comme une articulation 2D avec son mouvement contraint dans le plan sagittal, négligeant ainsi les déplacements et les équations d'équilibre dans les plans restants. Avec les forces musculaires estimées, l'équilibre statique dans le plan frontal est donc considéré pour estimer les forces du plateau tibial négligeant la résistance passive du genou, la géométrie articulaire, et en supposant des centres de contact médial/latéral fixes. Pour évaluer les effets de telles hypothèses, un modèle MS hybride de l'extrémité inférieure incluant un modèle élément finis (EF) du genou 3D a été utilisé pour simuler la phase d'appui de la marche.

Abstract

Human knee joints experience loads and movements of substantial magnitudes during occupational, recreational and even regular daily living activities. This demanding mechanical environment exposes them to a host of painful and debilitating deformities, injuries and degenerations involving both patellofemoral (PF) and tibiofemoral (TF) articulations. Osteoarthritis (OA) is one of the most prevalent musculoskeletal (MS) disorders affecting approximately 27 million adults in the US alone. ACL rupture is, also, a common joint injury with much higher prevalence reported in female athletes compared to their male counterparts. Effective preventive measures and treatment managements of such disorders require a sound knowledge of the joint behavior in both healthy and pathologic conditions. MS modeling of the lower extremity is promising to improve the current understanding of the knee joint function and injuries and consequently associated prevention and treatment programs. Several analytical and finite element (FE) models with different degrees of precision and refinement have been developed. They are considered as a reliable alternative to experimental methods that have major limitations, mainly related to their high costs, difficulties related to measurement accuracy and reproduction of some physiological situations. However, numerous assumptions are often made in some MS models (when estimating muscle forces and joint contact loads). The knee is commonly idealized as a planar (2D) joint with its motion constrained to remain in the sagittal plane, neglecting thus both displacements and equilibrium equations in remaining planes. With muscle forces predicted, the static equilibrium in the frontal plane is consequently considered to estimate tibial compartmental loads neglecting the knee joint passive resistance, the knee geometry, and assuming medial/lateral contact centers. To evaluate the effects of such assumptions, a hybrid MS model of the lower extremity incorporating a detailed validated 3D knee FE model was used to simulate the stance phase of gait. This model of the knee joint is made of bony structures (tibia, femur and patella) and their compliant cartilage layers as well as menisci, major TF (anterior cruciate ligament, ACL; posterior cruciate ligament, PCL; lateral collateral ligament, LCL; medial collateral ligament, MCL) and PF (medial PF ligament, MPFL; lateral PF ligament, LPFL) ligaments, patellar tendon (PT), and lower extremity muscles (e.g., quadriceps, hamstrings and gastrocnemius).