Development of patient-specific knee joint prostheses for unicompartmental knee replacement (UKR)
Date
2011-12
Authors
Van den Heever, David Jacobus
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: The knee is the largest, most complicated and incongruent joint in the human
body. It sustains very high forces and is susceptible to injury and disease.
Osteoarthritis is a common disease prevalent among the elderly and causes
softening or degradation of the cartilage and subcondral bone in the joint, which
leads to a loss of function and pain. This problem can be alleviated through a
surgical intervention commonly termed a “knee replacement”. The aim of a knee
replacement procedure is to relieve pain and restore normal function. Ideally, the
knee replacement prosthesis should have an articulating geometry similar to that
of the patient’s healthy knee, and must allow for normal motion. Unfortunately,
this is often problematic since knee prostheses are supplied in standard sizes from
a variety of manufacturers and each one has a slightly different design.
Furthermore, commercial prostheses are not always able to restore the complex
geometry of an individual patient’s original articulating surfaces. This dissertation
shows that there is a significant variation between knee geometries, regardless of
gender and race. This research aims to resolve the problem in two parts: Firstly by
presenting a method for preoperatively selecting the optimal knee prosthesis type
and size for a specific patient, and secondly by presenting a design procedure for
designing and manufacturing patient-specific unicompartmental knee
replacements. The design procedure uses mathematical modelling and an artificial
neural network to estimate the original and healthy articulating surfaces of a
patient’s knee. The models are combined with medical images from the patient to
create a knee prosthesis that is patient-specific. These patient-specific implants are
then compared to conventional implants with respect to contact stresses and
kinematics. The dissertation concludes that patient-specific implants can have
characteristics that are comparable to or better than conventional prostheses. The
unique design methodology presented in this dissertation introduces a significant
advancement in knee replacement technology, with the potential to dramatically
improve clinical outcomes of knee replacement surgery.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die knie is die grootste, mees komplekse en mees ongelyksoortige gewrig in die liggaam. Osteoarthritis is ’n siekte wat algemeen by bejaardes voorkom en die versagting of agteruitgang van die kraakbeen en subchondrale bene in die gewrig tot gevolg het, wat tot ’n verlies van funksionering en pyn lei. Hierdie probleem kan verlig word deur ’n chirurgiese ingryping wat algemeen as ’n “knievervanging” bekend staan. Die doel van ’n knievervangingsprosedure is om pyn te verlig en normale funksionering te herstel. Ideaal gesproke behoort die knievervangingsprostese ’n gewrigsgeometrie te hê wat soortgelyk aan die pasiënt se gesonde knie is, en normale beweging moontlik maak. Ongelukkig is dit dikwels problematies aangesien knieprosteses in standaardgroottes en deur ’n verskeidenheid vervaardigers verskaf word, wat elkeen se ontwerp effens anders maak. Verder kan kommersiële prosteses nie altyd die komplekse geometrie van ’n individuele pasiënt se oorspronklike gewrigsoppervlakke vervang nie. Hierdie proefskrif wys dat daar ’n betekenisvolle variasie tussen knieafmetings is, afgesien van geslag en ras. Hierdie navorsing is daarop gemik om die problem op tweërlei wyse te benader: Eerstens deur ’n metode aan te bied om die optimal knieprostesetipe en -grootte vir ’n spesifieke pasiënt voor die operasie uit te soek, en tweedens om ’n ontwerpprosedure aan te bied vir die ontwerp en vervaardiging van pasiëntspesifieke unikompartementele knievervangings. Die ontwerpprosedure gebruik wiskundige modellering en ’n kunsmatige neurale netwerk om die oorspronklike en gesonde gewrigsoppervlakke van ’n pasiënt se knie te bepaal. Die modelle word met mediese beelde van die pasiënt gekombineer om ’n knieprostese te skep wat pasiëntspesifiek is. Hierdie pasiëntspesifieke inplantings word dan met konvensionele inplantings vergelyk wat kontakstres en kinematika betref. Daar word tot die slotsom gekom dat die pasiëntspesifieke inplantings oor eienskappe kan beskik wat vergelykbaar is met of selfs beter is as dié van konvensionele prosteses. Die unieke ontwerpmetodologie wat in hierdie proefskrif aangebied word, stel beduidende vordering in knievervangingstegnologie bekend, met die potensiaal om die kliniese uitkomste van knievervangingsoperasies dramaties te verbeter.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die knie is die grootste, mees komplekse en mees ongelyksoortige gewrig in die liggaam. Osteoarthritis is ’n siekte wat algemeen by bejaardes voorkom en die versagting of agteruitgang van die kraakbeen en subchondrale bene in die gewrig tot gevolg het, wat tot ’n verlies van funksionering en pyn lei. Hierdie probleem kan verlig word deur ’n chirurgiese ingryping wat algemeen as ’n “knievervanging” bekend staan. Die doel van ’n knievervangingsprosedure is om pyn te verlig en normale funksionering te herstel. Ideaal gesproke behoort die knievervangingsprostese ’n gewrigsgeometrie te hê wat soortgelyk aan die pasiënt se gesonde knie is, en normale beweging moontlik maak. Ongelukkig is dit dikwels problematies aangesien knieprosteses in standaardgroottes en deur ’n verskeidenheid vervaardigers verskaf word, wat elkeen se ontwerp effens anders maak. Verder kan kommersiële prosteses nie altyd die komplekse geometrie van ’n individuele pasiënt se oorspronklike gewrigsoppervlakke vervang nie. Hierdie proefskrif wys dat daar ’n betekenisvolle variasie tussen knieafmetings is, afgesien van geslag en ras. Hierdie navorsing is daarop gemik om die problem op tweërlei wyse te benader: Eerstens deur ’n metode aan te bied om die optimal knieprostesetipe en -grootte vir ’n spesifieke pasiënt voor die operasie uit te soek, en tweedens om ’n ontwerpprosedure aan te bied vir die ontwerp en vervaardiging van pasiëntspesifieke unikompartementele knievervangings. Die ontwerpprosedure gebruik wiskundige modellering en ’n kunsmatige neurale netwerk om die oorspronklike en gesonde gewrigsoppervlakke van ’n pasiënt se knie te bepaal. Die modelle word met mediese beelde van die pasiënt gekombineer om ’n knieprostese te skep wat pasiëntspesifiek is. Hierdie pasiëntspesifieke inplantings word dan met konvensionele inplantings vergelyk wat kontakstres en kinematika betref. Daar word tot die slotsom gekom dat die pasiëntspesifieke inplantings oor eienskappe kan beskik wat vergelykbaar is met of selfs beter is as dié van konvensionele prosteses. Die unieke ontwerpmetodologie wat in hierdie proefskrif aangebied word, stel beduidende vordering in knievervangingstegnologie bekend, met die potensiaal om die kliniese uitkomste van knievervangingsoperasies dramaties te verbeter.
Description
Thesis (PhD)--Stellenbosch University, 2011.
Keywords
Unicompartmental knee replacement, Custom implants -- Design and manufacturing procedure, Self-organising map, Femoral component, Dissertations -- Mechatronic engineering, Theses -- Mechatronic engineering, Atificial knee, Artificial joints