Dissertação
{en_GB=Finite Element Analysis of the ACL-deficient knee} {} EVALUATED
{pt=A rotura do ligamento cruzado anterior (LCA) é uma lesão grave e cuja frequência tem vindo a aumentar nos últimos anos. Para compreender as causas e as consequências desta lesão é fundamental perceber qual o papel do LCA no joelho. Este trabalho tem como objetivo analisar o comportamento do joelho humano após lesão do LCA, através do método dos elementos finitos. Para tal, é utilizado um modelo tridimensional da componente tibiofemoral do joelho, com e sem LCA, ao qual são aplicadas cargas que evidenciam a função do ligamento. Os ligamentos foram modelados através de dois modelos constitutivos hiperelásticos distintos: o modelo isotrópico de Marlow e o modelo anisotrópico de Holzapfel-Gasser-Ogden (HGO). Ambos foram ajustados às mesmas curvas de tensão-deformação. Os parâmetros do modelo HGO foram obtidos através duma rotina de otimização, implementada num processo iterativo entre o MATLAB e o Abaqus. A comparação dos resultados obtidos com os dois modelos constitutivos permitem concluir que o modelo HGO reproduz melhor o comportamento mecânico dos ligamentos. Apesar de verificadas algumas diferenças em termos quantitativos, o modelo de elementos finitos é capaz de produzir resultados cinemáticos e de força que verificam o papel do LCA como principal opositor ao movimento de translação anterior da tíbia (ou posterior do fémur). Para além disto, na ausência do ligamento é evidente a maior laxidão do joelho noutros graus de liberdade, em especial na rotação interna-externa da tíbia., en=Anterior cruciate ligament (ACL) rupture is a serious injury whose frequency has been increasing in the last few years. To understand the causes and consequences of this injury it is fundamental to know the role of the ACL in the knee. This work aims to analyze the knee behavior after an ACL rupture, through the finite element method. For this purpose, it is used a fully tridimensional model of the tibiofemoral joint, with and without ACL, where loads that evidence the ligament function are applied. The knee ligaments were modeled with two hyperelastic constitutive models: The isotropic Marlow and the anisotropic Holzapfel-Gasser-Ogden (HGO) models. Both material models were fitted using the same uniaxial stress-strain curves. The parameters of the HGO were estimated with the help of an optimization routine, connecting MATLAB to Abaqus. The comparison between the results obtained through both the constitutive models allows to conclude that HGO model can better reproduce the mechanical behavior of the ligaments. Despite some verified differences in quantitative terms, the finite element model is able to produce kinematic and force results that confirm the ACL as the main restrainer to anterior tibial (or posterior femoral) translation. Furthermore, in ACL absence, there is a clear increase in knee laxity in more than one degree of freedom, particularly in internal-external tibial rotation.}
dezembro 5, 2014, 17:0
Publicação
Obra sujeita a Direitos de Autor
Orientação
CO-ORIENTADOR
João Orlando Marques Gameiro Folgado
Departamento de Engenharia Mecânica (DEM)
Professor Auxiliar
