Analyse, lors de l’appui, de la distribution du chargement mécanique sur la plaque et la charnière latérale d’une ostéotomie tibiale de valgisation par ouverture lors de l’appui. Étude par éléments finis

Abstract

Introduction

L’ostéotomie tibiale de valgisation (OTV) est indiquée dans la prise en charge d’une arthrose isolée médiale du genou chez un patient jeune présentant une déformation métaphysaire du tibia proximal. Lors d’une OTV par ouverture médiale, le respect de la charnière est fondamental pour la consolidation et la conservation de la correction notamment. L’utilisation d’une plaque verrouillée pour stabiliser une OTV est habituelle, ce qui autorise par ailleurs une remise en charge plus précoce. L’objectif de ce travail était ainsi de mesurer et de suivre la répartition du chargement mécanique au niveau d’une plaque verrouillée de fixation et de la charnière latérale d’une OTV à l’aide d’un modèle par éléments finis (EF) en simulant l’appui monopodal.

Hypothèse

L’hypothèse de travail était que lors de la remise en charge, la plaque et la charnière latérale absorbent des contraintes de façon asymétrique, principalement au niveau de la plaque.

Matériel et méthode

Un modèle numérique d’OTV fixée par une plaque verrouillée a été développé sur une géométrie réelle du tibia proximal (logiciels Fusion 360 de Autodesk, HyperWorks de Altair). Dans le cadre de cette simulation numérique par éléments finis de mise en charge, une étude de convergence en maillage a été réalisée pour optimiser la justesse des résultats du modèle numérique. Le critère de jugement principal était la valeur maximale des contraintes dans les zones concernées (contraintes de Von Mises, en MPa) de la plaque et de la charnière latérale.

Résultats

L’intensité des contraintes maximales dans la plaque est de l’ordre de 20,29 MPa. L’intensité des contraintes maximales au niveau de la charnière osseuse est quant à elle de l’ordre de 5,6 MPa. Les résultats obtenus par l’étude de convergence de maillage au niveau de la charnière et de la plaque permettent de définir le modèle le plus adéquat pour de futures études par EF : un maillage de 4 mm sur tous les éléments du modèle à l’exception de la zone de fortes contraintes dans la plaque et de la charnière maillée avec une taille d’éléments de 0,7 mm est retenu. Cette adaptation apporte une meilleure précision à l’étude.

Discussion

Il existe une répartition et une distribution des contraintes à la fois sur la plaque et sur la charnière soulignant ainsi l’importance de la plaque et la nécessité absolue de respecter la charnière. Pour autant, sans surprise, la plaque absorbe le principal contingent des charges, plus de 3 fois plus.

Conclusion

L’hypothèse est confirmée, cependant des études complémentaires seraient nécessaires pour valider ces résultats numériques : une partie expérimentale sur os cadavérique instrumenté mais également des études comparatives des plaques de fixation.

Niveau de preuve

V, avis d’expert ; étude contrôlée en laboratoire.

Introduction

Valgus high tibial osteotomy (HTO) is indicated for managing isolated medial knee osteoarthritis in a young patient with a metaphyseal deformity of the proximal tibia. In a medial opening HTO, maintaining the integrity of the lateral hinge is crucial for ensuring proper healing and correction retention. Using a locked plate to stabilize an HTO is common practice, allowing for earlier weight-bearing. The objective of this study was therefore to measure and track the mechanical load distribution on a locked fixation plate and the lateral hinge of an HTO using a finite element (FE) model simulating single-leg stance loading.

Hypothesis

The working hypothesis was that during weight-bearing, the plate and the lateral hinge absorb stress asymmetrically, predominantly on the plate.

Material and methods

A numerical model of an HTO stabilized with a locked plate was developed based on the actual geometry of a healthy proximal tibia (using Autodesk Fusion 360 and Altair HyperWorks software). In this finite element simulation of loading, a mesh convergence study was conducted to optimize the accuracy of the numerical model results. The primary outcome measure was the maximum stress value in the affected areas (Von Mises stress, in MPa) of the plate and the lateral hinge.

Results

The maximum stress intensity in the plate was approximately 20.29 MPa. The maximum stress intensity in the bony hinge was about 5.6 MPa. The results of the mesh convergence study for the hinge and the plate enabled defining the most suitable model for future FE studies: a 4 mm mesh for all model elements except for the high-stress area in the plate and the hinge, which were meshed with a 0.7 mm element size. This adaptation provided greater precision in the study.

Discussion

There is a distribution and allocation of stress both on the plate and the hinge, underlining the significance of the plate and the absolute necessity of preserving the hinge. Predictably, the plate absorbs the majority of the load, more than three times that of the hinge.

Conclusion

The hypothesis is confirmed; however, additional studies would be necessary to validate these numerical results: an experimental component on instrumented cadaveric bones, as well as comparative studies of different fixation plates.

Level of evidence

V, expert opinion; controlled laboratory study.