Comparison of subchondral bone stresses with physiological and simplified articular loading of the radiocarpal joint using finite element analysis

Abstract

Die Colles-Fraktur ist die häufigste Fraktur im Menschen und entsteht proximal des Radiokarpalgelenks (auch Colles-Frakturbereich genannt). Die Behandlung einer solchen Fraktur beinhaltet das Setzten eines distalen Radiusimplantats im subchondralen Knochenbereich. Somit ist die Spannungsverteilung in diesem Bereich entscheidend für die strukturelle Integrität des Implantatsystems. Es stellt sich daher die Frage, wie detailliert die Randbedingungen in einem Finite Elemente Modell gesetzt werden müssen, um eine realistische Darstellung der Spannungen im subchondralen und Colles-Frakturbereich zu erreichen. Zur Beantwortung dieser Frage wurde sowohl ein eingebettetes Modell als auch ein Modell mit direkt verbunden Handwurzelknochen mit einem Modell mit nahezu physiologische Randbedingungen mit Kontakt (Referenzmodell) quantitativ, als auch qualitativ verglichen. Zusätzlich wurde eine Parametersensitivitätsstudie durchgeführt und die Reaktion des Referenzmodells auf erhöhte Belastungen hinsichtlich seiner Linearität untersucht. Es wurde eine erhöhte Spannungskonzentration im trabekulären subchondralen Bereich mit einer ungleichmäßigen Lastverteilung zwischen Lunatum und Scaphoid aufgrund des Kontakts zwischen den Handwurzelknochen und dem Knorpel beobachtet. Der qualitative Vergleich der Modelle zeigte, dass die Spannungskonzentrationen im subchondralen trabekulären Bereich umso stärker ausgeprägt waren, je komplexer die aufgebrachten Randbedingungen waren. Wurden statisch äquivalente Lasten aufgebracht, so wurden in der Kortex die Spannungen im Vergleich zum Referenzmodell für beide vereinfachten Modelle ähnlich dargestellt, während die Spannungen im subchondralen und Colles-Frakturbereich des trabekulären Bereichs unterschätzt wurden. Der Vergleich zeigte, dass die Art der Anwendung wesentlich für die Wahl des richtigen Modellansatzes ist. Falls Reaktionskräfte und -momente bekannt sind und die Spannungsverteilungen im Colles-Frakturbereich gefragt sind, ist eine starke Vereinfachung der Randbedingungen ohne großen Fehler möglich. Ist andernfalls die Spannungsverteilung im subchondralen Bereich von Interesse, reicht das Aufbringen von statisch äquivalenten Lasten und die Lasteinleitung über die Handwurzelknochen jedoch nicht aus, um Spannungsspitzen im Vergleich zu einem Kontaktmodell ausreichend genau abzubilden, ohne einen erheblichen Fehler zu begehen.

The Colles' fracture is the most common fracture and occurs proximal to the radiocarpal joint, also referred to as the Colles' fracture region. Treatment involves a distal radius implant and thus the stress distribution in the subchondral region is crucial for the structural integrity of the implant system. When modeling such an implant system using a finite element model, the question arises what level of detail regarding the boundary conditions (BCs) must be set to achieve a realistic representation of the stresses in the subchondral and Colles' fracture region. This thesis aims to address this question by comparing a model representing close to physiological BCs (referred to as a reference model) with models with simplified BCs. A computed tomography scan was used to establish the finite element model of the reference model with contact interaction between the carpal bones and the cartilage of the radius. A parameter sensitivity study was performed and the response of the reference model to increased loads in terms of its linearity was investigated. Models with simplified BCs, involving an embedded model (EM) as well as a model with directly bonded carpal bones (BM), were compared to the reference model quantitatively in terms of the element wise normalized root mean square error of the effective stress as well as qualitatively using contour plots. An increased stress concentration in the trabecular subchondral region with an uneven load distribution between the lunate and scaphoid was observed in the reference model due to the contact interaction between the carpal bones and the cartilage. The qualitative comparison between models with simplified BCs and the reference model showed that the more complex the applied BCs, the stronger pronounced the stress concentrations in the subchondral trabecular region. If statically equivalent loads were applied, stresses in the cortex were represented similarly compared to the reference model for both simplified models (EM and BM), while stresses in the subchondral and Colles' fracture region of the trabecular bone were underestimated. It was concluded that if correct reaction forces and moments are known and the region of interest lies within the Colles' fracture region, a large simplification of BCs can be utilized. If the stress distribution in the subchondral region is of interest, the application of statically equivalent loads and load transmission through carpal bones do not represent stress peaks sufficiently compared to a contact model and an error is unavoidable.