Stress Patterns in the Reconstructed Double Bundles of the Anterior Cruciate Ligament in Response to an Anterior Tibial Load and Rotatory Load: an Analysis using a 3-Dimensional Finite Element Model

삼차원 유한 요소 모델을 이용한 전방십자인대 이중다발 재건술 후 전방 전위 및 회전 부하에 따른 이식건 응력 양상 분석

Purpose: The aim of this study was to determine the patterns of the stress distribution within the reconstructed anterior cruciate ligament (ACL) double bundles in response to an anterior tibial load and rotatory load at $45^{\circ}$ flexed knee model by use of a 3-dimensional finite element analysis (FEM). Materials and Methods: The $0^{\circ}$ and $45^{\circ}$ flexed 3-D knee model were reconstructed based on the high resolution computed tomography (CT) images from the right knee of a healthy male subject. To simulate double bundle ACL reconstruction, in $0^{\circ}$ analytic model, four 7 mm diameter tunnels were created at the center of each anteromedial (AM) and posterolateral (PL) footprints on the femur and tibia. The grafts were inserted into the corresponding bone tunnels and then reconstructed knee model was flexed to $45^{\circ}$. As a next step, the 5 mm anterior tibial load and internal rotational load of $10^{\circ}$ were applied on the final Computer aided design (CAD) model. And then stress patterns of each bundle were assessed using a finite element analysis. Results: In response to the 5 mm of anterior tibial load, the AM bundle showed increased stresses around the tibial and femoral attachment sites; especially in the anterior aspect of the bundle. In the PL bundle, the highest stress concentration was also noticed on the anterior aspect of the bundle. Under $10^{\circ}$ internal rotational load, the stress concentration was predominant around the anterior aspect of the tibial attachment site within the AM bundle. The PL bundle also showed highest stress concentration on the anterior aspect of the bundle. Conclusion: Although the stress patterns were not identical among the AM and PL bundle, there were common trends in the stress distribution. The stress concentration was predominant on the anterior aspect of both bundles in response to the anterior tibial load and rotatory load.

목적: 삼차원 유한 요소 모델을 이용하여 해부학적 이중 다발 전방십자인대 재건술 시행 후 전방 전위 및 회전 부하에 따른 이식건의 응력 분포 양상을 살펴보고자 하였다. 대상 및 방법: 건강한 성인 남성의 우측 슬관절을 대상으로 한 $0^{\circ}$ 및 $45^{\circ}$ 굴곡 위에서의 고해상도 컴퓨터 전산화 단층 촬영을 기반으로 삼차원 슬관절 모델을 구축하였다. Computer aided design (CAD) 프로그램으로 $0^{\circ}$ 굴곡 슬관절 모델에서 전내측 및 후외측 다발의 중심점에 직경 7 mm의 터널을 생성시키고, 각각의 터널에 이식건을 삽입시켜 해부학적 이중 다발 재건술을 시행하였다. 구축된 모델을 $45^{\circ}$ 굴곡위로 시뮬레이션 한 후 대퇴골에 대한 경골의 5 mm 전방 전위 및 $10^{\circ}$ 내회전 부하를 각각 구현하여 이식건 응력 양상의 유한 요소 분석을 시행하였다. 결과: 전방 전위 시 전내측 다발의 응력 분포는 주로 경골 부착부와 대퇴골 부착부의 전방부에서 증가된 양상을 보였고, 후외측 다발 역시 이식건의 전방부 전장에 걸쳐 응력이 증가되었다. 내회전 부하 시 전내측 다발은 경골 부착부 전면에서 응력이 가장 증가되었다. 후외측 다발의 응력 분포 또한 전반적으로 후방부보다 전방부에서 응력이 증가하였다. 결론: 슬관절 유한 요소 모델에서 전방 전위 및 회전 부하 시 전내측 다발 및 후외측 다발 공히 비슷한 양상으로 응력이 증가하는 소견을 보였다.