Μελέτη των εμβιομηχανικών ιδιοτήτων του πρόσθιου χιαστού συνδέσμου κατά τη φόρτισή του έως πλήρη ρήξη με απώτερο στόχο την ανάπτυξη πρωτότυπης μεθόδου ανακατασκευής του

Abstract

The purpose of this PhD was to evaluate the behavior of the Anterior Cruciate Ligament (ACL) during itsloading until failure, with the use of advanced technological instrumentation. The analysis of these data will beable to identify and evaluate the biomechanics properties of the ACL in order to use this knowledge to developa new prototype technique for ACL anatomical reconstruction. For this purpose three different studies wereconducted.ABSTRACT 1Purpose: The purpose of our study was to clarify the events that take place during anterior cruciateligament (ACL) failure, focusing on the behavior of the ACL as a composition of multiple fibers, duringuniaxial tension along the ligament.Methods: Ten fresh-frozen human cadaveric knee specimens were fixed in an Instron machine (Instron,Norwood, MA), and load was applied parallel to the ACL axis. Two cameras were used to detect the failuremode of the ACL and its different groups of fibers. The distinct bundles of fibers were marked in eachspecimen before testing. The macroscopic findings during the experiment were used for comparison withthe biomechanical results.Results: The ACL showed a non-monotonic response during testing. The load-elongation curve showed aplateau or a second peak after the initial drop in load. Macroscopically, some fibers were failing initially,whereas the intact fibers had a remaining load potential. In our setting, 3 different failure patterns wererecognized, specifically, a midsubstance tear of the anteromedial or the posterolateral bundle with asubsequent failure of the intact bundle or an initial avulsion of the anteromedial attachment. Analysis of thevideo frames showed a direct connection between the failure patterns in the load-elongation curves and themacroscopic sequence of events during ACL failure.Conclusions: The ACL ligament acts as a multifiber construction. In our setting, rupture follows 3 specificpatterns where a complete or partial tear of the fiber bundles occurs first and the remaining intact fiberbundles have a potential load resistance.Clinical Relevance: Our study allows a better understanding of the mechanical properties of the ACL. Anupdate on the biomechanics of ACL failure during uniaxial tension after the “double-bundle revolution”could provide data helpful for ACL reconstruction.ABSTRACT 2The scope of this study is to relate the acoustic emission (AE) during rupture of human soft tissue (anteriorcruciate ligament, ACL) to the mechanisms leading to its failure. The cumulative AE activity highlights theonset of serious damage, while other parameters, show repeatable tendencies, being well correlated with thetissue’s mechanical behavior. The frequency content of AE signals increases throughout the experiment,while other indices characterize between different modes of failure. Results of this preliminary study showthat AE can shed light into the failure process of this tissue, and provide useful data on the ACLreconstruction.ΑBSTRACT 3The analysis of the acoustic signals produced during anterior cruciate ligament (ACL) failure could beuseful in understanding its behavior. The purpose of the present study was to evaluate the role of couplingconditions of the sensors and to determine the value of newly introduced acoustic emission (AE)parameters. Seven femur- ACL-tibia complex (FATC) specimens were fixed in a universal tensile testingmachine and load was applied. Different coupling conditions were applied in two groups of specimens. Theload-time curve was monitored, with the simultaneous recording of the acoustic signals and the failuremode. During ACL tear, detectable changes in the load/time curve occurred linked to changes in themacroscopic sequence of events and the measured AE parameters irrespective the coupling conditions. AEprovides information on the determination of the moment (or load) when crucial irreversible damageoccurs. Furthermore, specific AE indices exhibit changes throughout the testing, and imply shift of thefailure mechanisms.

Σκοπός της διδακτορικής διατριβής έιναι η καταγραφή και διερεύνηση με χρήση της σύγχρονήςτεχνολογίας και τεχνογνωσίας της συμπεριφοράς του ΠΧΣ κατά τη φόρτιση του έως πλήρους ρήξης του. Ηανάλυσητων δεδομένων αυτών θα οδηγήσει στην ταυτοποίηση και μελέτη των εμβιομηχανικώνχαρακτηριστικών του ΠΧΣ με σκοπό αυτά να χρησιμοποιηθούν ώστε να αναπτυχθεί μια πρωτότυπημέθοδος ανακατασκευής του. Για το σκοπό αυτό πραγματοποιήθηκαν 3 διαφορετικές πειραματικέςδιαδικασίεςΠΕΡΙΛΗΨΗ 1ης ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗΣ ΜΕΛΕΤΗΣΣκοπός: Σκοπός της παρούσας μελέτης ήταν να μελετήσει τα γεγονότα που λαμβάνουν χώρα κατά τηδιάρκεια της ρήξης του ΠΧΣ υπό φόρτιση σε τάση, επικεντρώνοντας στη συμπεριφορά του ΠΧΣ ως ένασύνολο πολλαπλών ινών.Μέθοδοι: Δέκα ανατομικά παρασκευάσματα ανθρωπίνου γόνατος σταθεροποιήθηκαν σε σερβουδραυλικήμηχανή τύπου Instron και τέθηκαν σε φόρτιση κατά μήκος των ινών του. Δύο κάμερες χρησιμοποιήθηκανγια την καταγραφή της διαδικασίας ρήξης όσον αφορά τις δεσμίδες του. Οι δεσμίδες αναγνωρίστηκαν προτης μελέτης. Τα μακροσκοπικά γεγονότα που καταγράφηκαν συγκρίθηκαν με τα εμβιομηχανικάαποτελέσματα.Αποτελέσματα: Ο ΠΧΣ παρουσίασε μη μονοτονική συμπεριφορά κατά τη μελέτη του. Η καμπύληφορτίου/επιμήκυνσης εμφάνισε ένα πλατώ ή μια δεύτερη κορυφή μετά την αρχική πτώση του φορτίου.Μακροσκοπικά, ορισμένες ίνες υπέστησαν ρήξη αρχικά ενώ οι εναπομείνουσες ίνες είχαν τη δυνατότητααντοχής σε περαιτέρω τάση. Στη μελέτη μας παρατηρήθηκαν 3 διαφορετικά πρότυπα ρήξης του ΠΧΣ,ειδικότερα ρήξη της μεσότητας της AM ή της PL δεσμίδας με επακόλουθη ρήξη της ακέραιας δεσμίδας ήαποσπαστική ρήξη της ΑΜ δεσμίδας. Η ανάλυση των βιντεοσκοπικών λήψεων απέδειξε την άμεσησυσχέτιση των προτύπων ρήξης στην καμπύλη φορτίου παραμόρφωσης και μακροσκοπικής ακολουθίαςτων γεγονότων.Συμπεράσματα. Ο ΠΧΣ συμπεριφέρεται σαν πολυ-ινιδιακή δομή. Παρατηρήθηκαν 3 διαφορετικάπρότυπα ρήξης του ΠΧΣ, με μια μερική ή πλήρη ρήξη των ινών της μιας δεσμίδας να προηγείται με τιςυπόλοιπες ακέραιες ίνες να έχουν τη δυνατότητα αντοχής σε περαιτέρω τάση.Κλινική συσχέτιση. Η μελέτη μας επιτρέπει την καλύτερη κατανόηση των μηχανικών ιδιοτήτων του ΠΧΣ.Μια επανεξέταση των εμβιομηχανικών ιδιοτήτων του ΠΧΣ στην εποχή μετά την ‘επανάσταση της διπλήςδεσμίδας’ θα μπορούσε να παρέχει χρήσιμα δεδομένα για την ανακατασκευή του ΠΧΣ.ΠΕΡΙΛΗΨΗ 2ης ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗΣ ΜΕΛΕΤΗΣΣκοπός της παρούσας μελέτης είναι να συσχετίσει την εκπομπή ακουστικών σημάτων κατά τη διάρκειατης ρήξης διαφόρων ανθρώπινων ιστών (ιδιαίτερα μαλακών μορίων, όπως ο Πρόσθιος ΧιαστόςΣύνδεσμος). Επίσης έγινε συσχέτιση των χαρακτηριστικών των ακουστικών σημάτων με το μηχανισμόρήξης του ΠΧΣ. Η συσσώρευση ηχητικών σημάτων είναι ενδεικτική της έναρξης κριτικής κάκωσης καιφθοράς του ιστού. Άλλες παράμετροι των ηχητικών σημάτων παρουσιάζουν χαρακτηριστικήεπαναληψιμότητα που σχετίζεται με συγκεκριμένή μηχανική συμπεριφορά του ΠΧΣ. Επιπρόσθετα, ησυχνότητα των παραγόμενων ηχητικών σημάτων αυξάνεται κατά τη διάρκεια της φόρτισης του ιστού.Υπάρχει συσχέτιση ποικίλων χαρακτηριστικών των ηχητικών σημάτων με το είδος της μηχανικήςαποτυχίας του ΠΧΣ. Τα αποτελέσματα της μελέτης αυτής, φαίνεται να αναδεικνύουν το ρόλο πουδυνητικά η μελέτη των ηχητικών κυμάτων μπορεί να διαδραματίσει στην κατανόηση τη συμπεριφοράς τουΠΧΣ κατά την επίδραση σε αυτόν διαφόρων φορτίων και κατά τη ρήξη του. Τα συμπεράσματα αυτάμπορούν να χρησιμοποιηθούν για την τροποποίηση της μεθόδου ανακατασκευής του ΠΧΣ.ΠΕΡΙΛΗΨΗ 3ης ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗΣ ΜΕΛΕΤΗΣΗ ανάλυση των ακουστικών κυμάτων που παράγονται κατά τη διάρκεια ρήξης του ΠΧΣ μπορούν ναχρησιμοποιηθούν για την κατανόηση της γενικότερης συμπεριφοράς του. Σκοπός της μελέτης αυτής ήταν ηαξιολόγηση του ρόλου που διαδραματίζουν οι συνθήκες προσαρμογής των δεκτών των ηχητικών σημάτωνκαι να καθορίσουν την αξία ορισμένων νέων παραμέτρων ακουστικής εκπομπής. Επτά παρασκευάσματαμηριαίου-ΠΧΣ-κνημιαίου προσαρμόστηκαν σε μηχανή τύπου Ιnstron και εφαρμόστηκε σε αυτά φορτίοεξελκυσμού. Διαφορετικές συνθήκες προσαρμογής του δέκτη χρησιμοποιήθηκαν σε δύο ομάδεςδειγμάτων. Η καμπύλη φορτίου/χρόνου η ταυτόχρονή εκπομπή των ηχητικών κυμάτων καθώς και ημακροσκοπική αλληλουχία της ρήξης καταγράφηκαν. Κατά τη διάρκεια της ρήξης του ΠΧΣκαταγράφηκαν ανιχνεύσιμες συσχετιζόμενες μεταβολές στην καμπύλη φορτίου/χρόνου, συνδεδεμένες μετα χαρακτηριστικά των ακουστικών κυμάτων ανεξάρτητα από τις συνθήκες προσαρμογής των δεκτών. Ηακουστική εκπομπή παρέχει επαρκείς πληροφορίες για τον καθορισμό της χρονικής στιγμής (ή τουφορτίου), όπου η κρίσιμη μη αναστρέψιμη βλάβη συμβαίνει. Επιπλέον, συγκεκριμένα χαρακτηριστικά τηςηχητικής εκπομπής παρουσιάζουν μεταβολές καθ’όλη τη διάρκεια της φόρτισης και υποδεικνύουνμεταβολή των μηχανισμών ρήξης.