Development of a subject specific 3D knee finite element model to estimate the effect of weight loss on cartilage biomechanics

Abstract

Osteoarthritis (OA) is a common musculoskeletal disorder that degrades articular cartilage and is a leading cause of disability worldwide. Overweight has been considered a major risk factor of knee OA, and it is known that weight loss may reduce the risk of knee OA. The biomechanical mechanisms of how weight loss affects knee cartilage are however unknown. Evaluating the biomechanics of cartilage in-vivo is difficult, but an option is provided by numerical modeling of the knee joint using finite element (FE) modeling. FE modeling has proved to be effective in simulating knee joint kinematics and is therefore in this thesis proposed to estimate the effect of weight loss on cartilage biomechanics.

The first and main objective of this thesis was to estimate the effect of weight loss on knee cartilage biomechanics using a subject-specific FE knee joint model. The second objective was to investigate if modeling bone as a deformable, isotropic, and heterogeneous material would affect the cartilage biomechanics. The third objective was to investigate if the addition of a subchondral bone cyst (SBC), a common symptom of knee OA, in the tibia of the FE model would affect the biomechanics of cartilage and bone.

To achieve these objectives, a 3D model of a knee was manually segmented from magnetic resonance imaging (MRI) data of a participant in a weight loss focused clinical trial. The knee segmentation was meshed into a set of four different FE models and simulated using subject-specific motion analysis data for three sets of weight during the stance phase of gait.

The results of the FE analysis showed that as the subjects weight decreased from 85 kg to 74 kg, contact pressure, Von Mises stress, and maximum principal strain at the surface of the tibial cartilage decreased by 6.2 \%, 6.9 \%, and 6.5 \% respectively at peak load during the stance phase of gait. Modeling the tibial bone as heterogeneous and deformable led to a 10.7 \% and 14.8 \% reduction of Von Mises stress and maximum principal strain in the tibial cartilage when compared to rigid bone. The addition of a SBC led to a marginal decrease in contact pressure, Von Mises stress, and maximum principal strain in the tibial cartilage, but an increase in minimum principal stress and strain in the tibial bone.

In conclusion, this thesis has shown that weight loss simulated by FE analysis leads to a quantifiable reduction of the biomechanical load on knee tissues. Modeling bone as rigid also proved to be an effective simplification to reduce computational time while maintaining accuracy in the cartilage mechanics.

Further refinement of the models investigated in this thesis, for example by the addition of ligaments or more complex material models, may in the future provide an effective means of predicting cartilage response to weight loss. This could result in a clinically viable computational method of suggesting the best possible preventative treatment of OA.

Popular Abstract (Swedish)

Simulering av viktnedgång visar minskad belastning på brosket i knäleden

Artros i knäleden är en av de vanligaste orsakerna till handikapp bland äldre och medför stora kostnader för samhället och sjukvårdssystem världen runt. Kostnaderna ökar dessutom. Bättre metoder för att tidigt upptäcka artros eftersöks för att kunna sätta in preventiv behandling. Att simulera knäledens biomekanik med beräkningsmetoder så som finita elementmetoden har därför dykt upp som ett alternativ för att förstå sambanden mellan mekanisk belastning och artros.

Artros orsakas av att ledbrosket i knät har brutits ned och slutar i att leden blir obrukbar med handikapp som följd. De exakta orsakerna bakom artros är inte kända, men överbelastning och knätrauma är vanliga underliggande faktorer. Övervikt är en av de största riskfaktorerna för att utveckla artros. Diagnosen ställs först när ledbrosket är svårt skadat eller helt borta. Anledningen är att patienter ofta söker vård först efter att sjukdomen har orsakat ett handikapp. Behandling av sjukdomen är därefter kostsam eftersom den ofta innebär kirurgiska ingrepp som artroplastik, med andra ord att leden ersätts med en protes. Därför forskas det kring metoder för att tidigt upptäcka och behandla artros.

Det är känt att viktnedgång minskar risken för att drabbas, men specifikt hur minskad kroppsvikt påverkar knäbrosket är okänt. Att direkt undersöka broskets biomekanik i levande patienter är problematiskt. Denna problematik kan hanteras genom att skapa en beräkningsmodell i 3D av knät och simulera hur belastningen förändras med en beräkningsmetod kallad finita elementmetoden.

En beräkningsmodell i 3D av knät börjar ofta med medicinska bilder, exempelvis från magnetisk resonanstomografi (MR). Sedan tilldelas materialegenskaper till de olika vävnaderna i 3D-modellen. Till sist definieras belastningarna som appliceras på modellen och simuleringen körs. Så vad är annorlunda med denna studie från andra som har utforskat knäets biomekanik? Här användes data från en specifik person som deltog i en klinisk studie om hur viktminskning påverkar artros.

Utifrån MR-data skapades en patientspecifik 3D-modell av en knäled. Med patientspecifika bilder och rörelseanalysdata simulerades sedan hur belastningen på ledbrosket i knäet påverkades när patienten minskade sin kroppsvikt.

Simuleringarna visade ett olinjärt förhållande mellan kroppsvikt och belastning i brosket. När kroppsvikten minskade med 13 % (från 85 till 74 kg) så minskade den biomekaniska påverkan i brosket med drygt 6 % (i spänning, töjning och tryck).

Resultaten visar att det är möjligt att beräkna effekten av viktminskning på knäbrosket för en specifik patient. Genom att inkludera mer av knäets anatomi i 3D-modellen, använda mer avancerade materialmodeller eller med mer beräkningskraft kan beräkningen av knäets biomekanik bli mer noggrant. Det långsiktiga målet är att beräkningsmodeller ska bli praktiska verktyg för att tidigt upptäcka artros.

• author: Dahlgren, Julius
• supervisor: Gustavo Alejandro Orozco Grajales; Hanna Isaksson
• organization: Department of Biomedical Engineering
• alternative title: Patientspecifik beräkningsmodell av knäleden för att prediktera effekten av viktnedgång på brosk
• course: BMEM01 20221
• year: 2022
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: biomechanics, knee, cartilage, subject-specific, finite element, FE, FEM, weight loss, osteoarthritis
• language: English
• additional info: 2022-18
• id: 9099344
• date added to LUP: 2022-09-09 13:59:59
• date last changed: 2023-09-05 03:42:30