Fiber‐based anterior cruciate ligament model for biomechanical simulations

Abstract

Although accurate predictions of the behavior and function of the anterior cruciate ligament would aid in diagnosis and operative treatment, no agreement exists on the best way to model the ligament with a reliable description of its mechanical and geometric features. We propose a new model of the anterior cruciate ligament based on multiple viscoelastic curvilinear fibers. This model was used for quasi-static simulations of the passive motion of eight porcine knees, after registration of the passive trajectories and digitization of the surface of the ligament in flexion. Simulations of anterior cruciate ligament deformations during passive motion predicted a fiber strain of less than 20%, low insertion forces, and isometric anterior fibers. The model explains actions of the ligament fibers, as reported in the literature, better than classic models based on linear fibers and consistent with the mechanical properties of the anterior cruciate ligament.

Computational Modeling of Ligament Mechanics

“…Martelli et al 262 created detailed models of the ACL consisting of a large network of viscoelastic discrete elements. Ten "fibers" were used to describe the curved surface geometry between the femoral and tibial insertions of the ACL.…”

Can a tibial tunnel in ACL surgery be placed anatomically without impinging on the femoral notch? A risk factor analysis

“…This model explains why the anterior fibres of the ACL do not impinge on the femoral notch in extension in the native ACL. Furthermore, the resulting strain for linear fibres is in contrast with measured mechanical properties of the ACL compared to curvilinear fibres where the strain remains consistent with the mechanical properties of the native ACL [8, 16, 19, 24].…”

“…In this model, curvilinear fibres are longer in the relaxed position compared to linear fibres. The length of the curvilinear fibres can exceed the distance between insertions for the anterior fibres of the ACL [16]. This model explains why the anterior fibres of the ACL do not impinge on the femoral notch in extension in the native ACL.…”

“…A tibial tunnel aperture situated anterior to the border of the tibial ACL footprint can therefore not be accepted. Some studies describe an original model of the ACL that is composed of curvilinear fibres with visco-elastic behaviour in comparison with linear fibres [16]. In this model, curvilinear fibres are longer in the relaxed position compared to linear fibres.…”

Μελέτη Της Επίδρασης Της Ρήξης Του Προσθίου Χιαστού Συνδέσμου Και Της Αποκατάστασης Αυτού Με Τη Χρησιμοποίηση Τετραπλού Μοσχεύματος Ισχνού Προσαγωγού-Ημιτενοντώδους, Στην Λειτουργικότητα Των Κάτω Άκρων Με Τη Βοήθεια Ανάλυσης Βάδισης

“…Κλινικά 2-3 mm επιμήκυνσης, όπως μετρώνται κατά τη διάρκεια της επέμβασης, μπορούν να θεωρηθούν αποδεκτά, καθώς το αυτό συμβαίνει και κατά τη λειτουργία του φυσιολογικού χιαστού.4.Στοιχεία προερχόμενα τόσο από ανθρώπους αλλά και από ζώα έχουν δείξει ότι ο ΠΧΣ υπόκεινται σε μικρά φορτία κατά τη διάρκεια της συνηθισμένης καθημερινής δραστηριότητας. Τα φυσιολογικά καθημερινά φορτία του ΠΧΣ που αντιστοιχούν μόνο στο 20% των φορτίων που αντέχει μέχρι του σημείου ρήξης του6,52 .Χρησιμοποιώντας πτωματικά γόνατα νεαρής ηλικίας ο Takai και συν 49. έδειξαν ότι τα φορτία σε ολόκληρο τον ΠΧΣ κατά τη διάρκεια παθητικής κάμψης από 0 0 μέχρι τις 90 0 ήταν λιγότερο από 10Ν.…”