Changes in contact mechanics of the glenohumeral joint in the presence of osseous defects: a numerical study

Abstract

A articulação glenoumeral, inerentemente instável devido à sua geometria, pode estar sujeita a luxações anteriores do ombro que causam rompimento dos tecidos moles e defeitos ósseos, comprometendo a estabilidade articular. Esta tese apresenta um modelo computacional para analisar a mecânica de contato da articulação glenoumeral na presença de defeitos ósseos na borda anterior da glenoide, visando preencher a lacuna nas avaliações quantitativas de como tamanhos variados de defeitos afetam a estabilidade da articulação e a mecânica de contato. Utilizando análise em elementos finitos e modelagem de corpo rígido, a biomecânica da articulação glenoumeral é simulada, focando em tamanhos de defeitos de 0 mm a 6 mm. O modelo incorpora cartilagens com superfícies articulares elipsoidais e não congruentes e considera as mudanças nas direções das forças musculares devido às translações da cabeça do úmero. Os resultados revelam que a estabilidade é mantida para ângulos de abdução superiores a 90° com defeitos de até 4 mm. O aumento do tamanho do defeito altera significativamente as forças de reação articular, a pressão de contato máxima e a largura da trilha da glenoide. No entanto, o tamanho do defeito não afeta significativamente a área de contato e as translações da cabeça do úmero. Visualizações e dados quantitativos indicam uma relação direta entre o tamanho do defeito e o comprometimento mecânico da articulação, destacando o impacto crítico de defeitos moderados na função e estabilidade articular. Em conclusão, esta pesquisa avança na compreensão da biomecânica da articulação glenoumeral, oferecendo uma abordagem computacional refinada para avaliar o impacto de defeitos ósseos anteriores na mecânica de contato articular e nas translações da cabeça do úmero.

Abstract: The glenohumeral joint, inherently unstable due to its geometry, may be subjected to anterior shoulder dislocations that cause soft tissue detachments and osseous defects, compromising joint stability. This thesis develops a computational model to analyze the contact mechanics of the glenohumeral joint in the presence of osseous defects in the anterior border of the glenoid, aiming to bridge the gap in quantitative assessments of how varying defect sizes affect joint stability and contact mechanics. Utilizing finite element analysis and rigid body modeling, we simulate the glenohumeral joint's biomechanics, focusing on defect sizes from 0 mm to 6 mm. The model incorporates cartilages with ellipsoidal and non-congruent articular surfaces and considers the changes in muscle force directions due to humeral head translations. Results reveal that stability is maintained for abduction angles greater than 90° with defects up to 4 mm. Increasing defect size significantly alters joint reaction forces, peak contact pressure, and glenoid track width. However, the defect size does not significantly affect the contact area and humeral head translations. Visualizations and quantitative data indicate a direct relationship between defect size and the mechanical compromise of the joint, highlighting the critical impact of even moderate defects on joint function and stability. In conclusion, this research advances the understanding of glemohumeral joint biomechanics, offering a refined computational approach to evaluate the impact of anterior osseous defects on joint contact mechanics and humeral head translations.