MRI-based inverse finite element approach for the mechanical assessment of patellar articular cartilage from static compression test / MRT-basierter Finite-Elemente-Ansatz zur mechanischen Beurteilung von patellarem Gelenkknorpel aus statischen Kompressionsversuchen
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Abstract
The mechanical property of articular cartilage determines to a great extent the functionality of diarthrodial joints. Consequently, the early detection of mechanical and, thus, functional changes of cartilage is crucial for preventive measures to maintain the mobility and the quality of life of individuals. An alternative to conventional mechanical testing is the inverse finite element approach, enabling non-destructive testing of the tissue. We evaluated a method for the assessment of the equilibrium material properties of the patellar cartilage based on magnetic resonance imaging during patellofemoral compression. We performed ex vivo testing of two equine patellas with healthy cartilage, one with superficial defects, and one with synthetically degenerated cartilage to simulate a pre-osteoarthritic stage. Static compression with 400 N for 2 h resulted in morphological changes comparable to physiological in vivo deformations in humans. We observed a decrease of the equilibrium Young's modulus of the degenerated cartilage by -59%, which was in the range of the results from indentation (-74%) and confined compression tests (-58%). With the reported accuracy of magnetic resonance imaging and its reproducibility, the results indicate the potential to measure differences in Young's modulus with regard to cartilage degeneration and consequently to distinguish between healthy and pre-osteoarthritic cartilage.
Zusammenfassung
Die Funktionalität von diarthrodialen Gelenken wird in großem Maße von den mechanischen Eigenschaften des Gelenkknorpels bestimmt. Um die Mobilität und die Lebensqualität eines Menschen zu erhalten, ist es darum wichtig, frühzeitig Veränderungen der mechanischen Eigenschaften und somit der Funktionalität des Gelenkknorpels zu detektieren. Eine vielversprechende Alternative zu konventionellen mechanischen Tests bietet der inverse Finite-Elemente-Ansatz, mit dem zerstörungsfreies Prüfen des Gewebes ermöglicht wird. Wir haben diese Methode in Kombination mit der Magnetresonanztomographie während Kompressionstests an patellofemoralen Gelenken zur Beurteilung der mechanischen Eigenschaften von Gelenkknorpel evaluiert. Wir führten Ex-vivo-Tests an zwei Pferdekniescheiben mit gesundem Knorpel, einer mit defekter Knorpeloberfläche und einer mit künstlich degeneriertem Knorpel durch, um das präarthrotische Stadium zu simulieren. Statische Kompressionstests mit 400 N für 2 h führen zu ähnlichen morphologischen Veränderungen wie physiologische In-vivo-Deformationen beim Menschen. Wir beobachteten eine Abnahme des Young-Moduls beim degenerierten Knorpel um -59%, die in der Größenordnung der Ergebnisse aus den Indentationstests (-74%) und Kompressionstests (-58%) liegt. Diese Ergebnisse zeigen, dass aufgrund der Genauigkeit der Magnetresonanztomographie und der Reproduzierbarkeit diese Methode das Potenzial zur Ermittlung der Unterschiede des Young-Moduls hat, die mit der Degeneration von Knorpel einhergehen. Somit kann hiermit zwischen gesundem und präarthrotischem Knorpel unterschieden werden.
©2008 by Walter de Gruyter Berlin New York
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