Preliminary analysis of knee stress in Full Extension Landing

OBJECTIVE: This study provides an experimental and finite element analysis of knee-joint structure during extended-knee landing based on the extracted impact force, and it numerically identifies the contact pressure, stress distribution and possibility of bone-to-bone contact when a subject lands from a safe height. METHODS: The impact time and loads were measured via inverse dynamic analysis of free landing without knee flexion from three different heights (25, 50 and 75 cm), using five subjects with an average body mass index of 18.8. Three-dimensional data were developed from computed tomography scans and were reprocessed with modeling software before being imported and analyzed by finite element analysis software. The whole leg was considered to be a fixed middle-hinged structure, while impact loads were applied to the femur in an upward direction. RESULTS: Straight landing exerted an enormous amount of pressure on the knee joint as a result of the body's inability to utilize the lower extremity muscles, thereby maximizing the threat of injury when the load exceeds the height-safety threshold. CONCLUSIONS: The researchers conclude that extended-knee landing results in serious deformation of the meniscus and cartilage and increases the risk of bone-to-bone contact and serious knee injury when the load exceeds the threshold safety height. This risk is considerably greater than the risk of injury associated with walking downhill or flexion landing activities. .

Estudo anatômico das duas bandas do ligamento cruzado anterior com o joelho em 90º de flexão / Anatomic study of the double-bundle of the anterior cruciate ligament with the knee in 90º flexion

OBJETIVO: Avaliar anatomicamente a origem femoral e inserção tibial das bandas ântero-medial e póstero-lateral do ligamento cruzado anterior. MÉTODOS: Estudados oito joelhos de cadáveres, foram feitas as seguintes medidas no fêmur: distância do centro da banda ântero-medial à cartilagem profunda e a ao teto. Ainda no fêmur, do centro da banda póstero-lateral à cartilagem profunda, a cartilagem inferior e à cartilagem superficial. Na tíbia, foi aferido do bordo ósseo tibial anterior à região anterior da banda ântero-medial, ao centro da banda ântero-medial e ao centro da banda póstero-lateral. Também foi medido o centro da banda póstero-lateral ao bordo ósseo posterior da tíbia e o comprimento ântero-posterior total da inserção tibial do ligamento cruzado anterior. RESULTADOS: No fêmur, a distância do centro da banda ântero-medial à cartilagem profunda foi de 6,3 ±1,4mm e ao teto 11,2 ±2mm. Ainda no fêmur, a medida do centro da banda póstero-lateral à cartilagem profunda 9 ±4mm, à cartilagem superficial 7,6 ±1,8mm e a cartilagem inferior 4,2 ±0,9mm. Na tíbia, a distância do bordo ósseo tibial anterior à região anterior da banda ântero-medial foi de 11,9 ±2,8mm, ao centro da banda ântero-medial 18,8 ±2,6mm e ao centro da banda póstero-lateral 26,5 ±2,3mm. A medida do centro da banda póstero-lateral ao bordo ósseo posterior da tíbia foi 19,6 ±4mm e o comprimento ântero-posterior total da inserção tibial do ligamento cruzado anterior 19,4 ±1,8mm. CONCLUSÃO: O centro da inserção tibial da banda ântero-medial encontra-se a aproximadamente 20mm da extremidade anterior da tíbia, enquanto o centro da póstero-lateral se encontra a 30mm. A distância entre o centro da origem da banda ântero-medial até a cartilagem profunda é 6mm e da póstero-lateral 10mm.

OBJECTIVE: To anatomically evaluate the femoral origin and tibial insertion of the anteromedial and posterolateral bands of the anterior cruciate ligament. METHODS: We studied eight cadaver knees as for the following: in the femur, distance from the center of the anteromedial band to the deep cartilage and the ceiling; also in the femur, distance from the center of the posterolateral band to the deep cartilage, to the inferior cartilage and to the superficial cartilage. In the tibia, we measured the distances between the anterior tibial bone edge to the anterior region of the anteromedial band, to the center of the anteromedial band and to the center of the posterolateral band. We also measured the distance between the center of the posterolateral band to the tibial posterolateral bone and the total length of the anteroposterior tibial insertion of the anterior cruciate ligament. RESULTS: In the femur, the distance from the center of the anteromedial band to the deep cartilage was 6.3 ± 1.4 mm, and 11.2 ± 2 mm to the ceiling. Also in the femur, the distance from the center of the posterolateral band to the deep cartilage was 9 ± 4 mm, to the superficial cartilage 7.6 ± 1.8 mm, and to the inferior cartilage 4.2 ± 0.9 mm. In the tibia, the distance from the anterior tibial bone edge to the anterior region of the anteromedial band was 11.9 ± 2.8 mm, to the center of the anteromedial band 18.8 ± 2.6 mm, and to the center of the posterolateral band 26.5 ± 2.3 mm. The distance from the center of the posterolateral band to the tibial posterior bone edge was 19.6 ± 4 mm and the total length of the anteroposterior tibial insertion of the anterior cruciate ligament was 19.4 ± 1.8 mm. CONCLUSION: The center of the tibial insertion of the anteromedial band is approximately 20mm distant from the anterior edge of the tibia, while the center of the posterolateral band is approximately 30mm. The distance between the center of the origin of the anteromedial band to the deep cartilage is 6mm, and to the posterior lateral 10mm.

Análise biomecânica da solidarização de tendões para reconstrução do ligamento cruzado anterior / Biomechanic analysis of the sewed tendons for the reconstruction of the anterior cruciate ligament

OBJETIVO: Avaliar a diferença do comportamento mecânico de tendões flexores solidarizados e não solidarizados para verificar se a solidarização tem função efetiva. MÉTODOS: Vinte e quatro tendões digitais bovinos frescos foram usados. Para determinar a área da secção transversal utilizou-se alginato. Dez tendões foram solidarizados seguindo as orientações do fabricante; outros 10 pares não. Foram desenvolvidas garras para fixação dos enxertos à máquina universal para simulação da fixação, sendo a superior bipartida e de passagem controlada dos pinos e a inferior com dentes alternados. RESULTADOS: A carga máxima dos corpos de prova não solidarizados foi de 849,4 N ± 386,8 a área 30,4 mm²± 7,7, tensão de 29 ± 17 Mpa. Os solidarizados obtiveram carga máxima de 871,8 N ± 484,9 área 35 mm²± 5,8, tensão de 24 ± 10 Mpa. Não houve diferença estatística entre os dois grupos (p>0,05). CONCLUSÃO: A distribuição de probabilidade mostra que para 400 N os tendões não solidarizados apresentam confiabilidade de 83,8 por cento e os solidarizados de 78,5 por cento por cento.

OBJECTIVE:To evaluate the difference of the mechanical behavior of bended tied (sewed) and not tied hamstring tendons in order to evaluate if it has any effective function. METHODS: Twenty-four fresh bovine digital tendons had been used. Alginate to determine the area of the tendon transversal section was used. Ten bovine tendons had been bended and tied following the manufacturer orientation, ten others pairs had not been tied. Claws had been developed for the grafts fixation to the universal machine, for the setting simulation. The superior one was characterized to be bipartite and to have controlled passage for the pins and the inferior claw is characterized to have alternating teeth. RESULTS: The maximum load of the not tied samples of the test was 849,4 N ± 386,8 the area was 30,4 mm² ± 7,7, and 29 ± 17 Mpa of tension. The tied ones had gotten maximum load of 871,8 N ± 484,9, area of 35 mm² ± 5,8, and 24 ± 10 Mpa of tension. It did not have statistical difference between the two groups (p>0,05). CONCLUSION: The probability distribution showed that with 400 N the not tied tendons represents 83,8 percent of trustworthiness and the tied ones represents 78,5 percent.

Efeito de informação sensorial adicional na propriocepção e equilíbrio de indivíduos com lesão do LCA / Effect of additional sensory information in the proprioception and postural control of individuals with ACL lesion

OBJETIVO: Investigar o efeito da utilização de informação sensorial adicional na propriocepção e no equilíbrio de indivíduos com lesão do Ligamento Cruzado Anterior (LCA). MÉTODOS: Participaram deste estudo 28 indivíduos com lesão unilateral do LCA e 28 indivíduos com joelhos sadios. A propriocepção foi avaliada por meio do limiar para detecção de movimento passivo da articulação do joelho nas posições de 15 e 45 graus, para as direções de flexão e de extensão. O equilíbrio foi avaliado em posição unipodal sem visão, sobre uma plataforma de força e investigado por meio da amplitude e da velocidade média de oscilação do centro de pressão. As condições de informação sensorial utilizadas foram: informação normal, bandagem infra-patelar e faixa infra-patelar. RESULTADOS: Indivíduos com lesão do LCA apresentam um prejuízo na propriocepção e no equilíbrio quando comparados a indivíduos com joelhos sadios (p<0,05). Entretanto, com adição de informação sensorial, tanto a capacidade proprioceptiva quanto o equilíbrio de indivíduos com lesão do LCA é melhorado (p<0,05). Indivíduos com joelhos sadios não apresentam benefício na utilização de informação sensorial adicional (p>0,05). CONCLUSÃO: A lesão do LCA acarreta um prejuízo da propriocepção e do equilíbrio, porém estes efeitos são minimizados com utilização de informação sensorial adicional.

OBJECTIVE: The purpose of this study was to examine the effect of additional sensory information in proprioception and postural balance of individuals with ACL lesion. METHODS: Participated in this study 28 individuals with ACL unilateral lesion and 28 individuals with healthy knee. Proprioception was evaluated through the threshold to detection of passive knee motion from 15 and 45 degrees, for flexion and extension directions. Postural balance was evaluated in single leg stance without vision, on a plate force and investigated through the mean sway amplitude, mean sway velocity of the center of pressure. The conditions of sensory information used were: normal information, infrapatellar adhesive tape and infrapatellar strap. RESULTS: Individuals with ACL lesion show a deficit in proprioception and postural balance when compared with individuals with healthy knee (p<0.05). However, with the use of additional sensory information, proprioception and postural control performance in individuals with ACL lesion improve (p<0.05). Individuals with healthy knee did not show any benefit with the use of additional sensory information (p>0.05). CONCLUSION: ACL lesion causes damage in the proprioception and postural control system. However, these effects are minimized with the use of additional sensory information.

Experimental evaluation of 3-dimensional kinematic behavior of the cruciate ligaments

PURPOSE: The purpose of this study was to evaluate a low-cost and easily reproducible technique for biomechanical studies in cadavers. In this kind of study, the natural effect of loading of the joint and shear forces are not taken into account. The objective is to describe the plastic deformation of the ligaments into 3-dimensional space. METHOD: For 18 intact human cadaver knees, the cruciate ligaments were divided into 3 fiber bundles, the tibial or femoral fixation points were marked, and 2 perpendicular different x-ray exposures were performed, thus obtaining radiographs of spatial projections of the bundle in 3 anatomic planes (frontal, sagittal, and transversal). From the measurements made on the x-ray films, we obtained the average distance between the 2 fixation points of the cruciate ligaments on the tibia and the femur at 4 different flexion angles. RESULTS: The distance between the fixation points of the medial and lateral fiber bundles of the cruciate ligaments did not change significantly during movement. There were, however, significant variations (P < .05) in the distance between the fixation points of the posterior fiber bundles of the anterior cruciate ligament and the anterior fiber bundles of the posterior cruciate ligament. CONCLUSIONS: This technique was efficient for demonstrating the plastic deformability of the cruciate ligaments. The results proceeding from this type of study can assist in the planning of physical rehabilitation programs.

OBJETIVO: Este trabalho sugere uma técnica de baixo custo e de fácil reprodutibilidade para o estudo biomecânico em cadáveres. Neste tipo de estudo os efeitos das cargas naturais na articulação não são estudados. O objetivo é descrever a deformação plástica dos ligamentos no espaço tridimensional. MÉTODO: 18 joelhos provenientes de cadáveres humanos tiveram seus ligamentos cruzados divididos em três feixes de fibras cada e suas respectivas fixações tibiais e femorais marcadas, quando foram submetidos a duas exposições radiográficas perpendiculares para podermos obter uma projeção dos ligamentos nos três planos anatômicos (frontal, sagital e transversal). Através das medidas feitas nas radiografias nós obtivemos a média da distância entre os pontos de fixação na tíbia e no fêmur em quatro diferentes graus de flexão. RESULTADOS: Analisando os dados nós observamos que a distância entre os pontos de fixação dos feixes medial e lateral de ambos os ligamentos cruzados não alterou de forma significativa durante o movimento. Contudo, houve variação significativa (p>0.05) na distância entre os pontos de fixação do feixe posterior do ligamento cruzado anterior e do feixe anterior do ligamento cruzado posterior. CONCLUSÕES: A técnica foi eficiente ao demonstrar a deformação plástica dos ligamentos cruzados. Os resultados provenientes deste tipo de estudo podem auxiliar no planejamento de programas de reabilitação física.

Análise biomecânica do joelho íntegro e com ruptura do ligamento cruzado cranial quanto ao grau de deslocamento cranial e rigidez articular em cães / Biomechanical analisys of the normal knee and with cranial cruciate ligament rupture to the cranial translation degree and articular stiffness in dogs

OBJETIVO: Avaliar a função biomecânica da articulação do joelho de cães, comparando a medida de deslocamento cranial e a rigidez articular da tíbia em relação ao fêmur em articulações íntegras e com ruptura de ligamento cruzado cranial. MÉTODOS: Para realização do experimento foram utilizados 10 animas da espécie canina, com peso acima de 20 quilos. Avaliou-se biomecanicamente o grau de deslocamento da articulação do joelho com o ligamento cruzado cranial íntegro e seccionado cirurgicamente. Utilizou-se a máquina Kratos 5002, que permite gravar em tempo real os parâmetros força (N) e deslocamento/deformação em mm. O ensaio consitiu em aplicar uma força de (N) registrando assim a gaveta cranial. RESULTADOS: Para o joelho íntegro, a média de deslocamento em milímetros encontrada para três repetições subseqüentes e estatisticamente diferentes entre si foram de 3,39 ; 3,47; 3,53. Para o joelho lesado foram de 12,96; 13,24; 13,34. A análise estatística revelou diferença significante entre os dados do grupo íntegro e lesado, tanto para deslocamento quanto para rigidez (p<0,05) CONCLUSAO: Este estudo permite-nos concluir que a translação cranial é acrescida em quatro vezes e a rigidez articular é diminuída em uma vez e meia quando comparados.

Rotura simultánea aguda del tendón patelar y ligamento cruzado anterior / Acute simultaneous rupture of the patellar tendon and anterior cruciate ligament

We describe a very unusual case of a 31 year old man with a simultaneous rupture of the patellar tendon and the anterior cruciate ligament. This infrequent association is easy misdiagnosed in the initial clinical assessment. Magnetic resonance imaging (MRI) can evaluate both patologies and provides the orthopaedic surgeon the appropriate information for planning the timing and surgical treatment.

Este artículo describe un caso poco usual de una lesión simultánea de tendón patelar y ligamento cruzado anterior de rodilla en un paciente de 31 años. La evaluación clínica inicial puede subdiagnosticar la lesión combinada. El estudio con resonancia magnética (RM) logra definir adecuadamente ambas lesiones y otorga suficiente información al cirujano ortopédico para planificar el tratamiento quirúrgico.

Análise comparativa das propriedades mecânicas do ligamento da patela e do tendäo calcâneo - Estudo experimental em cadáveres humanos / Comparative analysis of mechanical properties of the patellar ligaments and calcaneus tendon - Experimental study in human cadavers

Com a finalidade de se estabelecer comparaçäo entre as propriedades mecânicas do ligamento da patela e do tendäo calcâneo foram realizados ensaios de traçäo em material obtido de 25 cadáveres humanos (50 ligamentos da patela e 50 tendöes calcâneos). A idade dos doadores foi de 58 ñ 14 anos (33-85), sendo 19 (76 por cento) masculinos e 6 (24 por cento) femininos, 23 brancos (92 por cento) e dois negros (8 por cento), com índice de massa do corpo (IMC) de 22 ñ 4 kg/m² (13-28). Os materiais foram testados em seus 10 mm centrais, com o uso de garras especialmente desenvolvidos e velocidade de aplicaçäo de carga de 30 mm/min. Foi obtida a área de secçäo dos corpos de prova para que além das propriedades estruturais também fossem avaliadas as propriedades materiais. Além do diagrama carga-alongamento foram estudadas as seguintes variáveis: carga máxima (N), tensäo (MPa), módulo de elasticidade (MPa), energia (Nm), energia por área (Nm/m²), alongamento absoluto (mm) e específico (m/m), limite de proporcionalidade (N), além da tensäo (MPa) e alongamentos neste ponto. A análise estatística comparativa entre os dois materiais permitiu concluir que ambos possuem carga máxima, limite de proporcionalidade e tensäo semelhantes. Nas outras variáveis ocorreu diferença significativa com o tendäo calcâneo apresentando valores maiores para energia e alongamento. O módulo de elasticidade, significativamente maior no ligamento da patela, foi a variável que melhor caracterizou a diferença do comportamento mecânico dos dois materiais. Foram também estabelecidas correlaçöes entre carga máxima, limite de proporcionalidade e módulo de elasticidade, e a idade e o índice de massa do corpo (IMC). O resultado foi negativo para a idade e positivo para o IMC, com exceçäo do módulo de elasticidade do tendäo calcâneo. Com relaçäo ao local e padräo de ruptura, no ligamento da patela houve predomínio de falência na inserçäo óssea da patela e no tendäo calcâneo na substância e inserçäo óssea distal.

Comportamento isométrico na reconstruçäo do ligamento cruzado anterior após a confecçäo dos túneis ósseos femoral e tibial / Isometrical behavior in the reconstruction of the anterior cruciate ligament after tibial and femoral tunnel perforations

Os autores estudam a manutençao da isometricidade definida por fios-guias dos túneis tibial e femoral para reconstruçao do ligamento cruzado anterior (LCA) e depois perfurados com broca de 10mm, em oito joelhos de cadáver humano. Um fio inelástico é passado pelos orificios do fio-guia e um enxerto de tendao patelar, pelos túneis ósseos. É medida a excursao do fio e do enxerto num arco de movimento de 0 a 90 graus, mostrando os resultados que o deslocamento máximo do fio foi, em média, de 2,51 mm (máximo de 5mm), enquanto o do enxerto foi de 3,18 mm em média (máximo de 6mm). Nao se verifica diferença estatística entre estes dois grupos no arco de movimento de 0 a 90§ de flexao do joelho, enquanto entre 30 e 60§ ocorre diferença significativa de deslocamento entre os pontos isométricos e os túneis. Os autores concluem que a confecçao do túnel nao compromete a isometricidade determinada pelo guia; que a maior distância entre os dois pontos isométricos e os dois túneis ocorre a 0§ de flexao do joelho e a menor a 90§; entre há diferença de comportamento no arco de 0 a 30§ entre os dois grupos; e que a melhor posiçao para a fixaçao do enxerto é entre 20 e 30 graus.

In vitro biomechanical evaluation of anterior cruciate ligament graft substitutes.

The study was undertaken to identify an isoelastic graft material for the anterior cruciate ligament (ACL). Double transducer ultrasonic pulse transmission method was employed for determining the elastic properties of normal ACL in comparison with various graft materials like the central third of the patellar tendon, semitendinosus and iliotibial band in different twisted forms. The elasticity and rigidity parameters were studied by taking ACL as being equal to 100 per cent. Our results indicated that the strength of the graft depended upon the density of the collagen bundles and elastic properties depended upon the pretensioning of the graft.

Ligamento cruzado anterior e tendäo patelar: estudo mecânico e correlaçöes clínicas / Anterior cruciate ligament and patellar tendon: mechanical study and clinical correlations

Pelo estudo de 20 joelhos de cadáveres frescos determinou-se näo haver proporcionalidade entre as características mecânicas do ligamento cruzado anterior e do terço central do tendäo patelar. A resistência do ligamento cruzado anterior é proporcional ao tamanho do joelho e o mesmo näo acontece com a porçäo central do tendäo patelar. A resistência das estruturas estudadas näo se altera com a idade. Outros parâmetros foram estuddos e inter-relacionados