Département de physique

Viscoelastic properties of soft tissues : application to knee ligaments and tendons

Pioletti, Dominique P. ; Meister, Jean-Jacques (Dir.)

Thèse Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 1997 ; no 1643.

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    Summary
    Ligaments play a central role in the stability of the knee. Due to the increase in sport activities of the young population, rupture of the anterior cruciate ligament (ACL) has become a frequent clinical problem. A surgical procedure replacing the deficient ligament is performed to restore the knee's initial stability. Although this surgical technique is widespread and well established, long term clinical results are inconsistent and the stability of the knee is not always restored, leading to premature arthrosis of the knee. This inconsistency of ACL replacement motivated the present study. "Optimal" ACL replacement only can be performed if the static and dynamic properties of the ligament are precisely known. In order to investigate these mechanical properties, an experimental set-up was developed to test human cruciate ligaments, as well as patellar tendon, which is commonly used for cruciate ligament replacement. Traction tests at different constant rates of elongation and stress relaxation tests were performed at controlled temperature (37°C) and humidity (100%). Results showed that cruciate ligaments and patellar tendons exhibit a non-linear elastic behavior in addition to a viscous behavior. The viscous behavior encompassed two phenomena: first a behavior where stress depended on strain rate (short term memory effects) and second a behavior where stress relaxed on a longer time scale (long term memory effects). In order to describe the different mechanical behaviors of the specimens in a general mechanical framework, a theoretical model was developed by simultaneously taking into account the non-linear elastic behavior, the short term memory effects and the long term memory effects. This proceeding satisfied the basic mechanical and thermodynamical requirements. The originality of the present model is based on the fact that the different mechanical behaviors are described in one framework allowing a compact description of the biomechanical properties of different soft tissues. The description of the short term memory effects is new in situations involving large deformations. The model is restricted by considering the specimens as isotropic, homogeneous and incompressible. The identification process of the different mechanical behaviors was facilitated with the proposed model. The non-linear elasticity was described with two parameters, the short term memory effects with one parameter and the long term memory effects with six parameters. No statistical differences were found between the parameters used for the anterior cruciate ligaments, the posterior cruciate ligaments and patellar tendons. The non-linear elastic behavior was implemented in a finite element code. The stress field in an ACL was calculated during a knee flexion and a tibial drawer test. The calculated stress field was inhomogeneous, with the highest stress in the anteriormedial part of the ACL. It was found that internal rotation of the knee generally increased the calculated stress in the ACL. These numerical results agree with in vitro studies given in the literature. The numerical results yielded a stress field in the ligament which was complementary to in vitro studies, where only the resultant ligament force can be measured. Several useful clinical conclusions can be drawn from the present biomechanical study. Diagnosis of an ACL rupture is generally performed by a contralateral comparison of antero-postero knee laxity (tibial drawer test) using a quasi-static load. However, diagnosis of an injured knee would be more accurate if the antero-postero load was dynamically applied to the knee: in this case, a knee with a rupture ACL would not show any effect, whereas a knee with an intact ACL would become stiffer with increasing the strain rate. In case of ACL replacement, the graft should be preconditioned in order to diminish the effects of stress relaxation. During the rehabilitation program after an ACL suture or replacement, flexion of the knee in an internal position should be omitted because internal rotation increases the stresses in the ligament.
    Résumé
    Les ligaments croisés jouent un rôle essentiel dans la stabilité du genou, où ils sont soumis à des efforts importants. De part l'activité sportive croissante dans notre société, des accidents impliquant une rupture du ligament croisé antérieur (LCA) sont devenus courants. Afin de remédier à l'instabilité qui suit cette rupture, une intervention chirurgicale consistant à remplacer le ligament déficient par une greffe peut être effectuée. Bien que cette technique soit relativement ancienne et courante, les résultats à long terme sont inconsistants. La restauration de la stabilité du genou n'est pas toujours assurée et des problèmes d'arthrose précoce sont alors possibles. Cet état de fait a motivé la présente étude. Le remplacement "optimal" du LCA lésé ne peut être obtenu que si les propriétés biomécaniques statiques et dynamiques de ce ligament sont précisément connues et décrites. Dans ce but, un banc expérimental a été développé afin d'effectuer des tests mécaniques sur des ligaments croisés et tendons rotuliens humains, ce dernier tissu étant couramment utilisé comme greffe de LCA. Ce banc expérimental permet des tests de tractions à vitesses constantes, ainsi que des mesures de relaxation des contraintes, ceci dans un environnement contrôlé à 37°C et 100% de taux d'humidité. Les résultats ont montré que les ligaments croisés et tendons rotuliens ont un comportement élastique non linéaire en plus d'un comportement visqueux. Ce comportement visqueux regroupe en fait deux phénomènes, un comportement où la contrainte dépend du taux de la déformation (viscosité à mémoire courte) et un comportement où la contrainte diminue au cours du temps (viscosité à mémoire longue). Afin de décrire dans un cadre unique les différents comportements mécaniques des spécimens, un modèle théorique est développé. Il permet de tenir compte à la fois du comportement élastique non linéaire, de la viscosité à mémoire courte et de la viscosité à mémoire longue. Ce modèle satisfait les lois de conservations mécaniques ainsi que les principes de la thermodynamique. L'originalité du modèle réside dans le fait que les différents comportements mécaniques sont décrits dans un cadre unique, permettant ainsi une description concise du comportement biomécanique des tissus mous considérés. La description de la viscosité à mémoire courte dans le cas de déformations finies est également originale. Le modèle est limité au cas où les spécimens sont considérés comme isotropes, homogènes et incompressibles. L'identification expérimentale des différents comportements mécaniques est de plus facilitée par la modélisation proposée. Ainsi, le modèle a deux paramètres pour décrire l'élasticité non linéaire, un paramètre pour la viscosité à mémoire courte et finalement 6 paramètres pour décrire la viscosité à mémoire longue. De part la diversité des comportements mécaniques des spécimens, les paramètres obtenus n'ont pas montré de différence statistique entre ligaments croisés antérieurs, ligaments croisés postérieurs et tendons rotuliens. La partie du modèle décrivant le comportement élastique non linéaire a été implémentée dans un code d'éléments finis. La distribution des contraintes a pu être calculée dans un LCA lors d'une flexion ainsi que lors d'un test clinique de mesure du tiroir antérieur du genou. Cette distribution s'est révélée inhomogène. Les contraintes les plus élevées se trouvent sur la partie antéro-médiale du LCA près de l'insertion fémorale. D'une manière générale, la valeur des contraintes calculées augmentent lors de rotation interne du genou. Ces résultats sont confirmés par des études expérimentales de la littérature. En donnant accès au champ des contraintes dans le LCA, l'étude numérique présentée apporte des informations complémentaires aux études in vitro où seule la force résultante dans le LCA peut être mesurée. De cette modélisation biomécanique, quelques résultats utiles aux cliniciens ont pu être obtenus. Dans le cas de diagnostic de rupture du LCA, il serait plus aisé de mettre en évidence une laxité inter-genoux si les tests étaient faits de manière dynamique. En effet, les tests dynamiques augmenteraient les contraintes dans le genou avec LCA rendant ce genou plus rigide, alors qu'ils n'auraient aucun effet sur la laxité du genou lésé. Lors d'un remplacement de LCA par une greffe biologique, celle-ci devrait être préconditionnée afin de diminuer la relaxation de la contrainte. Finalement, les programmes de réhabilitation à la suite de sutures ou de remplacements du LCA, devraient éviter tous mouvements impliquant une rotation interne du genou (au moins immédiatement après l'opération), la valeur des contraintes étant augmentée lors de tel mouvement.