The effect of distance between hole and hole to the structural stability of subchondral bone in the microfracture surgery

Abstract

Articular cartilage rarely shows spontaneous healing from defects, regardless of whether the defects are acute, chronic, or degenerative in nature. Several techniques for the treatment of articular cartilage defects have been described recently with varying results and indications. microfracture represents a frequently used technique used to attempt repair of symptomatic articular cartilage defects of the knee. Recent studies point towards the advantage of greater cell drainage after exposure of subchondral bone layer shoud affect the biomechanical property the overall subchondral bone. We hypothesis distance between hole and hole is will be correlated with the structural stability subchondral bone, in the microfracture surgery. In this study, we finite element analysis tool(i.e., COMSOL) is using analyzed effect on structural stability subchondral bone in microfracture procedure. To construct a more general simplified model of the femoral condyles was determined from a micro-CT scan of the TKC knee. The diameter of the femoral ellipsoidal condyle were 13 mm. Bones were considered 8 mm from the contact plane in Femur. Cortical bone thickness was 0.3 mm, the rest being cancellous bone. Load was assumed to be axial, i.e., normal to the bottom plane of the tibia. In the model of two-legged stance, assuming a bodyweight of 70 kg, a total force of 188.65 N was chosen and applied on the top surface of the femoral bone. The von mises sress of models were analyzed using the FE software COMSOL program. imaginary model results with comparison execute the finite element analysis as close to the actual implementation of the 3-D model the micro-CT image by using to assess results of imaginary model. In this study, the Finite element method was used to analyse the effect on structural stability subchondral bone in micro-fracture procedure. Virtual models and simulationapproaches using computer and it's application to finite element analysis have been utilized to overcome these problems. The 3-D FEA was done using optimal and detailed3-D subchondral bone model from micro-CT images. Although the micro-CT imagebased on a finite element modeling could not separate between subchondral plate and trabecular bone, this did not affect the final results. Thus, we speculated that there is no difference in dynamics in resulting from hole number of microfracture if sub-chondral plate is not broken. In this through the results, we are present be able to do is expected to be requisite references and epidemiological evidence when determining distance between the hole and hole in microfracture procedure.

미세골절술은 연골 결손부위의 연골하골에 미세골연골 (microchondral)을 만들어 골수내 줄기세포를 연골결손부위에 유도함으로써 무릎 연골 재생을 하는 수술기법이다. 최근 연골하골의 노출면적을 크게 함(구멍을 많이 뚫어)으로써 줄기세포의 유출을 증가시키는 논문이 발표되었는바 노출면적이 클 때 연골하골의 물리적 성질에 영향을 줄 것이라 기대된다. 때문에 본 연구에서는 미세골절술 시술에서 뚫게 되는 구멍과 구멍사이의 거리를 주요변수로 하여 미세골절술 시술 시 연골하골의 구조적 안정성에 미치는 영향을 유한요소 방법으로 분석하고자 한다. 본 연구에서는 슬관절 전 치환술 (Total Knee Arthroplasty, TKA)에서 제거된 대퇴골의 외과를 이용하여 미세단층촬영기(Micro-Computed Tomography, Micro-CT) 로 촬영하였다. 촬영한 기본 데이터에 따라 단순화한 3 차원 가상 모델을 구현하였다. 구현한 단순화한 가상 모델에 미세골절술 시 뚫게 되는 구멍을 변수로 4 mm 깊이의 구멍을 1 mm, 1.5 mm, 2 mm, 2.5 mm, 3 mm 일정한 간격으로 뚫어서 미세골절술 3 차원 가상 모델을 구현하였다. 그리고 이 3 차원 가상 모델들을 유한요소방법인 COMSOL 프로그램으로 등가응력 및 변위률을 분석하였다. 그리고 Imaginary model 결과를 비교 평가하기 위해 Imaginary 모델 구현을 위해 촬영한 Micro-CT 영상을 이용하여 실제에 가까운 3-D 모델로 구현하여 유한요소분석을 실행하여 Imaginary model 결과와 비교를 하였다. 해석을 통하여 각각의 구멍에 따른 안정성을 비교분석을 하였으나 모든 모델에서 등가응력의 값이 실제 연골하골의 항복응력에 비해 10 분의 1의 정도가 나옴으로써 몸무게 70 kg인 정상인이 두발로 서 있는 것과 동일한 하중인 188.65 N으로 분산하중 부여하였을 시 구멍에 따라서 연골하골에 안정성에 영향이 없는 것을 확인하였다. 본 연구를 시행함으로써 미세골절술 시술 시 구멍과 구멍간의 거리를 결정할 때 필요한 참고자료 및 역학적 근거를 제시할 수 있을 것으로 기대된다.