Avaliação do Desempenho de Prótese de Joelho com Dinâmica Multicorpo: Um Modelo Musculoesquelético de Membros Inferiores

Abstract

As próteses de joelho são amplamente utilizadas no tratamento de artroses avançadas e outras patologias degenerativas. Contudo, sua durabilidade e desempenho mecânico ainda apresentam desafios significativos, especialmente em movimentos dinâmicos e de alto impacto. A compreensão das forças articulares que atuam sobre esses im plantes é essencial para otimizar seu design e avaliar sua confiabilidade biomecânica. Neste contexto, este trabalho apresenta o desenvolvimento e a avaliação de um mo delo musculoesquelético dos membros inferiores com uma prótese de joelho do tipo semi-constrita, utilizando a abordagem de Dinâmica Multicorpo por meio do software OpenSim. O objetivo principal é estimar as forças de contato articulares durante o mo vimento de levantar-se ao estar sentado, buscando avaliar o desempenho da prótese. A fundamentação teórica baseia-se no formalismo dinâmico clássico , que inclui o prin cípio de Hamilton e as equações de Lagrange, possibilitando a análise sistemática das etapas de cinemática e dinâmica inversas. O modelo numérico é calibrado com dados experimentais da base OrthoLoad e inclui superfícies de contato entre os componen tes protéticos modeladas com o Elastic Foundation Model. Os resultados evidenciam a influência do posicionamento do componente femoral nas forças de reação, tendo configurações com certa compatibilidade com os dados experimentais. Conclui-se que o modelo proposto representa a interação entre a prótese e o sistema musculoesque lético, configurando-se como ferramenta promissora para a avaliação pré-clínica de implantes ortopédicos

Knee prostheses are widely used in the treatment of advanced osteoarthritis and other degenerative joint diseases. However, their durability and mechanical performance still pose significant challenges, especially during dynamic and high-impact movements. Understanding the joint forces acting on these implants is essential for optimizing their design and evaluating their biomechanical reliability. In this context, this work presents the development and evaluation of a musculoskeletal model of the lower limbs with a posterior-stabilized knee prosthesis, using the Multibody Dynamics approach through the OpenSim software. The main objective is to estimate the articular contact forces during the sit-to-stand movement, aiming to assess the performance of the prosthesis. The theoretical foundation is based on classical dynamics formalism, including Hamilton’s principle and Lagrange’s equations, enabling a systematic analysis of inverse kinematics and dynamics steps. The numerical model is calibrated with experimental data from the OrthoLoad database and includes contact surfaces between prosthetic components modeled using the Elastic Foundation Model. The results highlight the influence of the femoral component positioning on the reaction forces, with some configurations showing compatibility with experimental data. It is concluded that the proposed model realistically represents the interaction between the prosthesis and the musculoskeletal system, making it a promising tool for the preclinical evaluation of orthopedic implants.