High, open wedge tibial osteotomy: Finite element analysis of five internal fixation modalities

Abstract

Background/Aim. Medial open wedge tibial osteotomy is one of the most widely accepted method of treatment for varus knee deformity in younger patient population. Its success depends on the quality of fixation and preservation of the outer cortex of the tibia. The aim of the study was to evaluate stress distribution in five numerically designed plate configurations which can be used in open wedge tibial osteotomy. Methods. The paper describes the 3D numerical model of the tibia with 10? varus deformity correction obtained by an optical scanner ATOS. The simulation anticipated axial compressive loads of 700 N, 1 400 N and 2 100 N. We used a modification of the standard T-plate in all of the five tested models. Modalities were tested with and without a metal block, and with and without a stable angle fixation plates and screws. Software PAK was used in the analysis of stress distribution. Results. With exception for the standard T-plate configuration without the supporting block, the loads up to 1400 N did not result in critical stresses on the outer cortex of the tibia in the remaining four models. There is an objective risk of possible failure of the outer cortex and loss of correction at a load of 2100 N in all configurations. The plate model with the angle stable fixation and the supporting metal block showed the most optimal distribution of stresses on the plate-bone composite compared to other models. Conclusion. The standard T-plate configuration without supporting metal block is not sufficient to stabilize the open wedge osteotomy of the tibia. Numerical models of the angle stable T-plate and the supporting metal block achieved a favorable distribution of stresses on the bone and implant which require further biomechanical testing.Uvod/Cilj. Medijalna, otvorena, klinasta osteotomija tibije predstavlja jednu od siroko prihvacenih metoda lecenja varusnih deformiteta kolena kod mladjih bolesnika. Njen uspeh zavisi od kvaliteta fiksacije i ocuvanosti spoljasnjeg korteksa tibije. Cilj ove studije bio je da se proceni stabilnost fiksacije i distribucije napona na pet numericki dizajniranih konfiguracija koj? se mogu koristiti kod otvorenih klinastih osteotomija tibije. Metode. U radu je koriscen 3D numericki model tibije sa 10? korekcije varus deformiteta dobijen optickim skenerom ATOS. Simulacija je podrazumevala aksijalna opterecenja na pritisak od 700 N, 1 400 N i 2 100 N. Koriscena je modifikacija standardne T-ploce u svih pet ispitivanih modela. Ispitani su modaliteti sa i bez metalnog bloka, odnosno sa i bez stabilnog ugla fiksacije ploce i zavrtanja. U analizi distribucije napona koriscen je program PAK. Rezultati. Izuzev standardne konfiguracije T-ploce bez potpornog bloka, opterecenja do 1 400 N ne dovode do pojave kriticnih napona na spoljasnjem korteksu tibije kod preostala cetiri modela. Pri opterecenjima od 2 100 N kod svih konfiguracija postoji objektivan rizik od moguceg loma spoljasnjeg korteksa i gubitka korekcije. Model ploce sa stabilnim uglom fiksacije i potpornim metalnim blokom ispoljio je najbolju distribuciju napona na kompozitu ploca-kost u odnosu na ostale modele. Zakljucak. Standardna konfiguracija T-ploce bez potpornog metalnog bloka nije dovoljna za stabilizaciju otvorene klinaste osteotomije tibije. Numericki modeli T-ploce sa stabilnim uglom fiksacije i potpornim metalnim blokom ostvaruju povoljnu distribuciju napona na kosti i implantatu sto zahteva dalja biomehanicka ispitivanja.