БИОМЕХАНИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ НАДКОЛЕННИКА В НОРМЕ И ПРИ ПОВРЕЖДЕНИИ МЕДИАЛЬНОЙ ПАТЕЛЛОФЕМОРАЛЬНОЙ СВЯЗКИ

Цель исследования: Разработать биомеханическую модель коленного сустава с детальным представлением пателлофеморального сегмента, учитывающую нормальную анатомию костей, суставов, связок и мышц, а также изучить движение надколенника при пассивном сгибании колена.
Материалы и методы: Архитектура модели была создана с использованием платформы OpenSim. В модель включены пателлофеморальный сустав с 6 степенями свободы, стабилизаторы надколенника – медиальная пателлофеморальная связка (MPFL), медиальная пателлотибиальная связка (MPTL), латеральный ретинакулум (LR) и контактные поверхности надколенника. Для создания контактных поверхностей использовались Gmsh и Paraview. Моделирование пассивного сгибания коленного сустава с последовательным исключением стабилизаторов надколенника проводилось для оценки их влияния на движение надколенника.
Результаты: Разработанная биомеханическая модель позволяет детально анализировать нормальную динамику надколенника и роль различных анатомических структур в его функционировании, что делает её пригодной для дальнейших исследований. Эксперимент с участием всех связок показывает физиологическую норму. Отключение MPTL минимально влияет на наклон и перемещение надколенника, что связано с её небольшим размером. Деактивация MPFL приводит к увеличению латерального наклона и смещения надколенника. Деактивация компонентов LR 1 и 2 вызывает больший медиальный наклон и смещение, а деактивация компонентов 3 и 4 LR приводит к увеличенному латеральному смещению и небольшому дополнительному медиальному наклону.
Заключение: результаты показывают, что все связки важны для нормального движения надколенника, подчеркивая важность стабилизирующих структур для поддержания его стабильности при сгибании колена.

1. Duthon VB. Acute traumatic patellar dislocation. Orthop Traumatol Surg Res. 2015 Feb;101 https://doi.org/10.1016/j.otsr.2014.12.0012.

2. Nomura E, Inoue M, Osada N. Anatomical analysis of the medial patellofemoral ligament of the knee, especially the femoral attachment. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc. 2005 Oct;13(7):510–5 https://doi.org/10.1007/s00167-004-0607-4

3. Hendawi T, Godshaw B, Flowers C, Stephens I, Haber L, Waldron S. Autograft vs Allograft Comparison in Pediatric Medial Patellofemoral Ligament Reconstruction. Ochsner J. 2019 Summer;19(2):96–101 https://doi.org/10.31486/toj.18.0081

4. Rosinski A, Chakrabarti M, Gwosdz J, McGahan PJ, Chen JL. Double-Bundle Medial Patellofemoral Ligament Reconstruction With Allograft. Arthrosc Tech. 2019 May;8(5):e513–e520 https://doi.org/10.1016/j.eats.2019.01.011

5. Sillanpaa PJ, First-time patellar dislocation: surgery or conservative treatment? Sport Med Arthrosc. 2012;20(3): 128–135 https://doi.org/10.1097/JSA.0b013e318256bbe5

6. Sanchis-Alfonso V. How to Deal With Chronic Patellar In- stability: What Does the Literature Tell Us?. Sports Health. 2016 Jan-Feb;8(1):86–90 https://doi.org/10.1177/1941738115604156

7. Schöttle PB, Fucentese SF, Romero J. Clinical and radiological outcome of medial patellofemoral ligament re- construction with a semitendinosus autograft for patella instability. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc. 2005 Oct;13(7):516–21 https://doi.org/10.1007/s00167-005-0659-0

8. Howells NR, Barnett AJ, Ahearn N, Ansari A, Eldridge JD. Medial patellofemoral ligament reconstruction: a prospective outcome assessment of a large single centre series. J Bone Joint Surg Br. 2012 Sep;94(9):1202–8 https://doi.org/10.1302/0301-620X.94B9.28738

9. Buckens CF, Saris DB. Reconstruction of the medial patellofemoral ligament for treatment of patellofemoral instability: a systematic review. Am J Sports Med. 2010 Jan;38(1):181–8 https://doi.org/10.1177/0363546509353132

10. Jibri Z, Jamieson P, Rakhra KS, Sampaio ML, Dervin G. Patellar maltracking: an update on the diagnosis and treatment strategies. Insights Imaging. 2019 Jun 14;10(1):65. https://doi.org/10.1186/s13244-019-0755-1

11. Enderlein D, Nielsen T, Christiansen SE, Faunø P, Lind M. Clinical outcome after reconstruction of the medial patellofemoral ligament in patients with recurrent patella instability. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc. 2014 Oct;22(10):2458–64 https://doi.org/10.1007/s00167-014-3164-5

12. Schottle PB, Hensler D, Imhoff AB (2010) Anatomical double bundle MPFL reconstruction with an aperture fixation. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc 18:147–151 https://doi.org/10.1007/s00167-009-0868-z

13. Wang CH, Ma LF, Zhou JW, Ji G, Wang HY, Wang F, Wang J. Double-bundle anatomical versus single-bundle isometric medial patellofemoral ligament reconstruction for patellar dislocation. Int Orthop. 2013 Apr;37(4):617–24 https://doi.org/10.1007/s00264-013-1788-6

14. Fujino K, Tajima G, Yan J, Kamei Y, Maruyama M, Takeda S, Kikuchi S, Shimamura T.Morphology of the femoral insertion site of the medial patellofemoral ligament. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc. 2015 Apr;23(4):998–1003 https://doi.org/10.1007/s00167-013-2797-0

15. Schöttle PB, Schmeling A, Rosenstiel N, Weiler A. Radiographic landmarks for femoral tunnel placement in medial patellofemoral ligament reconstruction. Am J Sports Med.2007 May;35(5):801–4 https://doi.org/10.1177/0363546506296415

16. Shah JN, Howard JS, Flanigan DC, Brophy RH, Carey JL, Lattermann C. A systematic review of complications and failures associated with medial patellofemoral ligament re- construction for recurrent patellar dislocation. Am J Sports Med. 2012 Aug;40(8):1916–23 https://doi.org/10.1177/0363546512442330

17. 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

18. 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 flexions. Comput Methods Biomech Biomed Engin. 2020 Aug; 23(10): 658-663. https://doi.org/10.1080/10255842.2020.1757662. Epub 2020 May 12. PMID: 32393120

19. 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

20. Lee M.R., Hicks J.L., Wren T.A.L., Delp S.L. Independently ambulatory children with spina bifida 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

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

22. 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

23. 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

24. Delp S.L., Anderson F.C., Arnold A.S., et al. OpenSim: open-source 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

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

26. Frodl A., Lange T., Siegel M., et al. Individual influence 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

27. 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

28. 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

29. Geuzaine C., Remacle J.-F. Gmsh: A 3-D finite 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