Le genou humain est l'une des articulations les plus complexes du corps humain. Dotée de surfaces articulaires peu congruentes, cette structure doit concilier des impératifs totalement opposés comme celui de transmettre des charges très importantes et assurer la mobilité de la jambe par rapport à la cuisse. D'un point de vue anatomique, l'emplacement distal du genou par rapport au centre de gravité du corps induit sur l'articulation des charges de compression pouvant atteindre 4 à 7 fois le poids du corps durant des activités journalières telles que la marche, le jogging ou la montée d'escaliers. Les charges agissant sur l'articulation du genou durant la pratique de certains sports de performance comme le football, le ski ou le hockey sont beaucoup plus imposantes et du même fait, responsables de milliers de blessures et traumatismes liés au genou tels que la distension ou rupture des ligaments et la déchirure des ménisques ainsi que les processus dégénératifs qui en découlent telle la dégénérescence du cartilage (arthrite).

Durant les deux dernières décennies, et dans le but de mieux cerner le comportement biomécanique du genou humain, des modèles analytiques et d'éléments finis avec différents degrés de précision et de raffinement se sont présentés comme une alternative fiable et un complément de moindre coiit aux méthodes expérimentales courantes. Ces modèles constituent des outils de choix lors des études expérimentales d'une part pour decider d'une méthodologie de déroulement d'une expérience ou bien pour interpréter les résultats expérimentaux. Dans le domaine clinique, ces modèles seront d'un apport certain lors de l'évaluation des procédures chirurgicales et serviront lors du design des substituts ligamentaires, méniscaies et des joints artificiels car toute condition d'altération peut être simulée par de simples modifications aux donnees initiales.

Dans cette optique, un modèle d'éléments finis du genou humain a été élaboré en fusionnant les techniques basées sur la tomographie assistée par ordinateur et la modélisation par éléments finis. Ce modèle se démarque des précédents modèles numériques du fait qu'il reproduit d'une manière beaucoup plus précise la géométrie de toutes les composantes d'un spécimen de genou humain, représente aussi bien l'articulation fémorotibiale que fémopatellaire, tient compte de la déformabilité des tissus mous et de l'aspect composite des ménisques, considère les principaux ligaments du genou ainsi que i'enroulement du ligament latéral interne sur le tibia et son attachement B la périphérie du ménisque interne, traite l'articulation qui s'opère au niveau du joint et le mécanisme d'enroulement du ligament latéral interne autour du tibia par des problèmes de contact sans friction à grands déplacements, et enfin, permet d'appliquer des chargements et conditions cinématiques multiples et simule des carences et déficiences variées.

La reconstruction de la géométrie d'un spécimen de genou humain droit provenant d'un donneur de sexe féminin âgé de 27 ans est entreprise basée sur une acquisition d'images tomographiques obtenue à panir d'un scanner 'Pickers 1200SX'. Cette étape a été suivie d'une numérisation des surfaces articulaires et d'une série de mesures effectuée sur le spécimen. Ces données, une fois injectées dans les routines de génération de maillages et fusionnées avec les données pour les propriétés de matériaux choisies de la littérature, vont servir à la génération d'un modèle 3-D d'éléments finis de tout le genou. Le modèle ainsi généré est utilisé dans des analyses élastostatiques nonlinéaires dans lesquelles on a simulé une charge de compression axiale atteignant lOûûN appliquée sur la partie fémorale de l'articulation fémorotibiaie en extension. Les effets des conditions aux rives ainsi que ceux d'une rnéniscotomie totale sont analysés. Un comportement nonlinéaire du déplacement axial en fonction de la compression appliquée est observé avec des déplacements couplés signifxcatifs. A 1000N, les plateau* se partagent la compression plus ou moins équitablement quand la rotation axiale fémorale est fixée dors que dans le cas inverse, le plateau externe résiste à une charge sensiblement supérieure. Les ménisques contribuent au mécanisme de transfert de cette charge en transmettant au moins 30% de la charge. L'ablation des ménisques altère sensiblement la cinématique du joint, cause une augmentation dans la contrainte maximale en compression au sein du cartilage et réduit les zones de contact.

Similairement, pour une position d'extension de l'articulation fémorotibiale, la rotation en varus-valgus en réponse à des moments en varus-valgus est nonlinéaire avec des déplacements couplés non négligeables. Des moments assez petits sont suffisants pour basculer l'articulation en varus ou en valgus avec un contact s'opérant sur un plateau seulement, interne en varus et externe en valgus. Les ligaments latéraux sont les principaux freins contre ce genre de chargement dû à leurs emplacements anatomiques favorables. En plus des effets des conditions aux rives sur les résultats, les conséquences d'une lésion du ligament latéral externe en varus et interne en valgus sont andysées. Ainsi, les ligaments croisés, mal positionnés, développent des tensions très élevées pour compenser l'absence du ligament latéral péndisant par le même fait les plateaux tibiaux qui subissent alors des charges compressives plus importantes.

Lors d'un chargement par tiroirs antéro-postérieurs, une analyse préliminaire a été effectuée dans le but de comparer la réponse du genou à deux modes de chargement différents soit un tiroir fémoral en maintenant les déplacements couplés sur le tibia Libres ou vice versa. Une réponse nonlinéaire pour l'articulation fémorotibiale en extension est ainsi observée, caractérisée par une laxité antéro-postérieure d'environs 9mm à MOON. Une restriction sur les mouvements couplés du tibia affecte considérablement les résultats avec comme effet marquant, une réduction drastique de la laxité. Une section d'un des ligaments croisés résulte en une instabilité très marquée de l'articulation avec des laxités antéro-postérieures de 6 à 7 fois celle du cas intact. L'ablation du ménisque externe n'a eu que peu d'effets sur la cinématique du genou dors que la méniscotomie interne causa une altération marquée des déplacements primaires et couplés.

Dans cette étude nous avons évalué, entre autre, la contribution des ménisques au mécanisme de transfert de charges lors des différents chargements à partir des composantes axiales des forces de contact agissant sur les zones exposées et couvertes du cartilage tibial. Nous avons confirmé la vulnérabilité du ménisque interne lors du tiroir fernord postérieur avec déficience du ligament croisé antérieur et lors d'un varus avec déficience du ligament latéral externe. En effet, la partie postérieure épaisse du ménisque agit comme butée de freinage contre un déplacement postérieur excessif et une rotation interne du fémur et doit par conséquent être préservé dans la mesure du possible lors d'une méniscotomie. L'ablation des ménisques sollicite les couches de cartilage qui se verront à haut risque de développer une dégénérescence. D'autre part, les tensions développées dans les ligaments croisés lors du tiroir antéro-postérieur et d'un varusvalgus avec déficience de l'un des ligaments latéraux sont considérables. Bien qu'en dessous de la charge ultime, ces forces peuvent être encore plus importantes en présence de chargements combinés et causer par conséquent des lésions aux ligaments croisés.

Les résultats obtenus en termes de cinématique du genou, mécanisme de transmission de charge, tensions dans les ligaments. forces et pressions de contact pour les cas de chargement traités sont en accord avec les mesures expérimentales.

The hee joint is one of the most complex articulations in the human body. Having slightly conforming articular surfaces, the knee joint fulfills two tasks with opposite demands of transmitting very high loads through the articulation while providing the necessary flexibility and mobility of the leg with respect to the thigh. From an matornical point of view, the superficial position of the knee joint in the body exposes it to injuries and impacts. Moreover, the distal location of the joint below the center of gravity of the body causes compressive loads as high as 4 to 7 times the body weight during day to day activities such as walking, jogging or ascending stairs. Although yet unmeasured, the loads acting on the articulation during some aggressive athletic activities such as football, ski or hockey are suspected to be much larger and could, thus, be responsible for thousands of knee injuries and degenerative processes like the ligamentous rupture, partial or total meniscal tears and their subsequent trauma afTecting the articular cartilage (osteoarthritis).

During the last two decades, severd analytical and finite element models with different degrees of accuracy and sophistication have been introduced. Such model studies constitute reliable and low cost means to complement experirnental investigations. They can be useful tools for analyzing complex biolcgical systems, interpreting experimental observations and designing new experimental procedures. A mathematical model analysis of the knee joint is, thus, useful for quantitative investigation of knee joint biomechanics, evaluation of existing surgical and diagnostic procedures and design of artificial joints. Various physicai and clinical conditions can relatively easily be modeled and analyzed by appropriate alterations of the input data.

Merging the cornputer-assisted tomography technique dong with the finite element modeling, the present finite element model is distinguished from the previous models for taking into account the presence of the knee components with accurate geometries, both tibiofemoral and patellofemoral articulations, compliant articular cartilage layers and nonhomogeneous composite nature of the menisci, major knee ligaments including the wrapping of the medial collateral ligament around the proximal tibial edge and its attachment to the periphery of the media1 meniscus, articulation of the femoral and tibial cartilage layers with each other as well as with the intervening menisci and the wrapping mechanism of the media1 collateral ligament which are treated as general large displacement frictionless contact problems, and finally, severai loading and kinematic conditions as well as various types of alterations and injuries.

A fresh frozen right huma. knee joint of a 27-year-old woman was chosen to reconstmct the detailed geometry of the bony structures using a 'Picker 1200SX' computerized tomography (CT) system. Owing to the poor visibility of the soft tissues on CT images, direct digitization of articular surfaces and measurements were also used. These data were then merged with a mesh generation algorithm and material properties reported in the literature to develop a detailed three dimensional nonlinear model of the knee joint.

Nonlinear eiastostatic analyses were carried out considering the tibiofemoral articulation in its full extension position under compressive loads of up to lOOON applied to the femorai shaft. The effects of boundary conditions and total bilateral meniscectomy on the overall response were also analyzed. The joint exhibits a nonlinear stiffening response in the axial direction with large coupled displacements. At 1000N, the load transferred through the joint was shared nearly equally between lateral and medial plateau~ when the fernoral axial rotation was constrained whereas it was greater on the lateral plateau as the axial rotation was left free. The menisci contributed to the load-bearing mechanism by transmitting at least 30% of the compressive load. Total bilateral meniscectomy altered the joint kinematics, increased the contact stresses and reduced the contact areas.

Under varus-valgus moments of up to f lSN-m, the joint response was nonlinear with large coupled displacements. The fully extended tibiofemoral articulation demonstrated varus or valgus openings under rather small moments in which the articulation occurred at one plateau only, medial in varus and lateral in valgus. The collaterals were anatomically the best positioned ligaments to resist varus-valgus moments. Effects of boundary conditions as well as removal of the collaterals were further analyzed. Due to their less effective position in resisting varus-valgus moments, the cruciates deveioped larger tension to compensate the loss of restraining force caused by section of collaterals resulting in an increased compression penalty on the tibial plateaus.

In anterior-posterior drawers, the laxity of the tibiofemoral articulation at full extension was slightly sensitive to whether the load was applied on the tibial shaft while keeping the coupled femoral motions unconstrained or vice versa. Nonlinear stiffening response of the primary displacement with increasing applied antenor-posterior forces was observed leading to a total primary laxity of about 9mm at k400N. Constraint on al1 coupled motions of the tibia markedly diminished the joint laxity. Section of either cmciate ligaments drastically increased the joint laxity by about 6 to 7 times. While lateral meniscectomy had only small effects on the overall joint kinematics, excision of the medial meniscus substantially dtered both primary and coupled joint motions.

In this study, the contribution of the menisci to load-bearing function of the knee was demonstrated by evaluating the portion of the axial cornpartmental load transmitted through the meniscus (ie, covered zone) as compared with that passing through the entire covered and exposed cartilage zones. The vulnerability of the medial meniscus during both posterior femord drawer in cruciate ligament-deficient joint and varus moments in lateral collateral-deficient joint was confirmed. The medial meniscus experienced large forces through its posterior third acting as an efficient wedge against excessive femoral posterior displacements and intemal rotations supporting the clinical observations recommending the preservation whenever possible of the posterior horn dunng medial meniscectomy. Tensile forces developed in the cmciates during anterior-posterior drawers and varusvalgus moments in collateral ligament-deficient joint were very large. The cruciates are. therefore, at high nsk of failure. specially when other modes of loading are also present.

The overall predictions of the tibiofemord mode1 in terms of joint kinernatics, mechanism of load-transmission across the articulation, tensile forces in ligaments and contact forces or pressures on the plateaus for the specific loading cases considered in this work are in good agreement with reported experimentai measurements.