Clinical Biomechanics of Hip Joint

Abstract

Multiple assumptions about model's geometry, mechanical properties and physiological parameters are adopted when using biomechanical models in clinical studies. The aim of this thesis is to assess how a patient-specific hip joint modelling could affect prediction of biomechanical parameters. The studied parameters ranged from geometrical parameters through hip joint reaction forces prediction to joint contact stress estimation. It was shown that the input geometrical parameters obtained from planar radiographs are influenced by the patient?s obesity and X-ray device considerably. The musculoskeletal model of hip joint loading was validated against experimental data for a single patient. However, scaling the musculoskeletal model to individual patients by a standard procedure based on single pelvic bone dimension underestimates the range of hip joint reaction force. It was shown that change in individual muscle capacity to generate the force influences the hip muscle force distribution but not the hip joint reaction force. Simple model of hip contact geometry could predict the overall stress distribution but not the absolute values of contact stress peaks. To conclude, patient specific modelling could provide more reliable results for given patients if accurate input parameters and scaling procedures are adopted correctly. When considering limitations of generic models described in this study, these models could be used to predict general trends in clinical studies.

Pro použití biomechanických modelů v klinických studiích jsou přijímány zjednodušující předpoklady o geometrii daného modelu, jeho mechanických vlastnostech a fyziologických parametrech. Cílem této disertační práce je stanovit, jak jsou biomechanické parametry ovlivněny, je-li matematický model kyčelního kloubu přizpůsoben na míru danému pacientovi. V klinických studiích byly zkoumány geometrické parametry, určeny reakční síly v kyčelním kloubu a kontaktní tlaky v kloubu jak ve zjednodušených modelech, tak i~v~modelech upravených podle konkrétního pacienta. V rámci této práce bylo ukázáno, že rozměry odečtené z rentgenových snímků jsou značně ovlivněny použitým RTG přístrojem i obezitou pacienta. Nesprávně určené rozměry kostí pacienta vedou k nepřesnostem v určení reakční síly v kyčelním kloubu. Další chyba ve stanovení reakční síly může být vnesena zjednodušeným škálováním obecného svalově-kosterního modelu. Správně určená velikost a směr reakční síly a přesná geometrie kyčelního kloubu jsou důležité pro určení velikosti kontaktního tlaku. Zjednodušený model kyčelního kloubu dokáže předpovídat celkové rozložení kontaktního tlaku v kyčelním kloubu, nicméně nedokáže předpovědět jeho lokální maxima. Na závěr lze říci, že jsou-li použity přesné vstupní parametry a~model je správně naškálován, tak modelováním uzpůsobeným na míru daného pacienta je možné dosáhnout spolehlivějších výsledků. Pomocí zjednodušeného modelu je možné předpovídat celkové trendy biomechanických parametrů v rámci klinických studií, jsou-li respektována jednotlivá omezení modelu.