Estudi teòric i experimental del comportament del lligament creuat posterior i del tendó patel·lar a les forces tallants del genoll caní: sa, amb escissió del lligament creuat anterior i reparat amb la tècnica d'avanç de la tuberositat tibial (TTA)
Authors:   , Pérez Guindal Elsa 
Published: October 2023

The knee joint is the largest and most complex both in humans and in canines. The internal forces that govern it, are not known exactly. Canine knee injuries are recurrent, especially in the anterior cruciate ligament, a disease that has become the focus of numerous research groups in the past 20 years and the development of dozens of techniques and methods of treatment within the veterinary community. This thesis was created to explore the biomechanics that govern the behavior of canine knee forces, in particular, to analyze the forces that cause the rupture of the anterior cruciate ligament (ACL) with a theoretical model. Moreover, experimental tests were carried out in vitro, the results of which will be contrasted with the model.
First, the theoretical framework of biomechanics in the canine knee during the stance phase of the dog gait is reviewed and we propose a static biomechanical model of joint forces, to know the magnitude and direction of these. The second phase of the thesis is experimental. On one hand, it analyzes the effects of the forces that cause ACL rupture on the canine knee. On the other, it analyzes the effectiveness of the most common techniques for the correction of the disease, Tibial Tuberosity Advancement (TTA). This is one of the techniques based on changing the biomechanics of the knee and is one of the most widespread. But despite its success, the technique doesn¿t stabilize the knee completely. The study of joint forces before and after the application of the technique is not yet clear, so there are uncontrolled variables that could adversely affect the proper function of the knee, hence the importance of analyzing the technique from two approaches: the theoretical and the experimental.
Hypotheses emerging from the model, focus on the effects on the posterior cruciate ligament (PCL) and Patellar Tendon (PT). It is believed that the PCL is a secondary stabilizer that takes on a leading role when the main stabilizer breaks and when the TTA technique is applied. For this reason it is possible that the PCL is overloaded after the intervention of the TTA and may affect long-term knee function. Furthermore, there is little information on the behavior of the Patellar Tendon (PT). It is based on the hypothesis that the tendon works more at higher femorotibial joint flexion angles, and the TTA technique tends to transfer less load. To verify the hypotheses in vitro experiments are carried out on canine limbs with healthy knees, knees with ACL excision and knees repaired by the TTA technique. During the tests shear forces are applied (one of the main causes of ACL injury) and the behavior of the LCP and the PT is collected. We measure the elongation of the posterior cruciate ligament and the strength of the quadriceps tendon (which, through a correlation factor, will transform into the strength of the Patellar Tendon).
The measuring devices for the ligament and the tendon are based on the electric extensiometry technique, one of the more accurate experimental techniques to analyze stress and strain and widely used in engineering.
The experimental results of this thesis are favorable compared with the biomechanical model hypothesis. The posterior cruciate ligament (PCL) was found to be overloaded after the application of TTA. The Patellar tendon was found to be slightly distended after the application of TTA, and the force increased with the angle of knee flexion.
El genoll és l’articulació més gran i complexa tan en humans com en canins. Les forces internes que el governen no és coneixen amb exactitud. Les lesions dins aquesta articulació en gossos són recurrents, sobre tot, sobre el lligament creuat anterior, afecció que ha esdevingut el centre d’atenció de nombrosos grups d’investigació en els últims 20 anys i el desenvolupament de desenes de tècniques i mètodes de tractament dins la comunitat veterinària. Aquesta tesi neix per explorar la biomecànica que regeix el comportament de les forces al genoll caní, en particular, analitzar les forces causants de la ruptura de lligament creuat anterior (LCA) mitjançant un model teòric. Per altra banda, realitzarà assajos experimentals in-vitro, els resultats dels quals es contrastaran amb el model.
Primerament es revisa el marc teòric sobre la biomecànica en el genoll caní durant la fase de càrrega de la marxa del gos i es proposa un model biomecànic estàtic de les forces articulars, per conèixer la magnitud i direcció d’aquestes. La segona fase de la tesi és experimental. Per una banda, analitza els efectes de les forces causants del trencament del LCA sobre el genoll caní sa i patològic. Per altra, analitza l’eficàcia d’una de les tècniques més esteses per a la correcció de la patologia, la Tècnica d’Avanç de la Tuberositat Tibial (TTA, sigles en anglès de “Tibial Tuberosity Advancement”). Es tracta d’una de les tècniques basades en modificar la biomecànica del genoll produint una correcció dinàmica de forces i és una de les més esteses. Però a pesar del seu èxit, no aconsegueix una estabilitat igual a la situació anterior a la lesió del LCA. L’estudi de forces de l’articulació abans i després de l’aplicació de la tècnica encara no està clar, pel que hi ha variables incontrolades que podrien afectar negativament la correcta funció del genoll, per això la importància d’analitzar la tècnica des de dos enfocs: el teòric i l’experimental.
Del model sorgeixen les hipòtesis de partida prèvies a l’experimentació. Aquestes es centren en els efectes que pateix el lligament creuat posterior (LCP) i el tendó patel·lar (TP). Es creu que el LCP és un estabilitzador secundari que passa a tenir un rol protagonista quan es trenca l’estabilitzador principal i quan s’aplica la tècnica de la TTA. Per tan, és possible que el LCP es trobi sobre carregat després de la intervenció de la TTA, podent afectar al llarg termini la correcta funció del genoll. Per altra banda, hi ha poca informació sobre el comportament del tendó patel·lar. Es parteix de les hipòtesis que treballa més a majors angles de flexió de l’articulació femorotibial, i que amb la tècnica de la TTA tendeix a descarregar-se. Per verificar les hipòtesis es du a terme l’experimentació in vitro amb extremitats canines amb genolls sans, genolls amb escissió de LCA, i genolls amb reparació per la tècnica de la TTA. Durant els assajos s’apliquen forces tallants (una de les principals causes de la lesió del LCA) i es recullen les tendències de comportament del LCP i el TP. Es mesurarà l’elongació del lligament creuat posterior i la força del tendó del quàdriceps (la qual, a través d’un factor de correlació, es transformarà en força del tendó patel·lar).
Els dispositius de mesura sobre el lligament i el tendó estan basats en l’extensiometria elèctrica, una de les tècniques experimentals d’anàlisi de tensions i deformacions més precises i àmpliament usades en el camp de l’enginyeria, capaç de mesurar deformacions de l’ordre de les micres in-situ i en temps real.
Els resultats experimentals de la tesi s’han contrastat amb les hipòtesis del model biomecànic favorablement. El lligament creuat posterior (LCP) s’ha trobat que després d’aplicació de la tècnica de reparació de la TTA es troba sobre carregat. Del tendó patel·lar s’ha trobat que es descarrega lleugerament amb la tècnica de la TTA, i augmenta la força amb l’angle de flexió del genoll.