Finite element analysis of the initial stability of arthroscopic ankle arthrodesis with three-screw fixation: posteromedial versus posterolateral home-run screw

Abstract

Objective: Arthroscopic ankle arthrodesis (AAA) is a standard surgical method for the treatment of advanced traumatic ankle arthritis and has become more popular due to its advantages. To fix the tibiotalar joint, the use of three percutaneous screws is considered to have better mechanical stability than the use of two screws. However, it is sometimes difficult to insert three screws because they might block each other due to the small area of the tibiotalar joint surface and the large diameter of the screws; few articles illustrate how to insert three screws without the screws disturbing each other. The purpose of this study is to explore possible screw configurations of tripod fixation in arthroscopic ankle arthrodesis that avoid the collision of screws and yield better biomechanical performance. Methods: We used the finite element method to examine the impact of different screw positions and orientations on the biomechanical characteristics of a three-dimensional (3D) ankle model. Maximum and average micromotion, pressure on the articular surface, and von Mises stress values of the tibia and the talus were used to evaluate the initial stability of the ankle. Results: Five kinds of three-screw configurations were identified, and finite element analysis results suggested that configurations with the posteromedial home-run screw presented lower micromotion (maximum, 17.96 ± 7.49 μm versus 22.52 ± 12.8 μm; mean, 4.88 ± 1.89 μm versus 5.19 ± 1.92 μm) (especially configuration 3) and better screw distributions on the articular surface than those with the posterolateral home-run screw. Conclusion: Screw configurations with the posteromedial home-run screw avoid collision and are more biomechanically stable than those with the posterolateral home-run screw. Thus, inserting the home-run screw through the posteromedial approach is recommended for clinical practice.

Comparative Biomechanical Analysis of Ankle Arthrodesis Techniques: Experimental Study

“…На торцы головок винтов прикладывали давление величиной 50 МПа, имитирующее стягивающее усилие. Эти параметры были заданы для стандартизации эксперимента и взяты из аналогичных исследований других авторов [18,19].…”

“…В последнее время сравнительный анализ различных типов металлических фиксаторов выполняют с помощью биомеханического (или математического) моделирования. Одним из них является метод конечных элементов [17,18,19]. На сегодняшний день имеются лишь единичные исследования, направленные на изучение стабильности различных вариантов фиксации голеностопного сустава при артродезе методом конечных элементов [18,19].…”

“…Одним из них является метод конечных элементов [17,18,19]. На сегодняшний день имеются лишь единичные исследования, направленные на изучение стабильности различных вариантов фиксации голеностопного сустава при артродезе методом конечных элементов [18,19]. Несмотря на большое количество применяемых в настоящий момент вариантов артродеза, нами для сравнительного анализа была выбрана именно методика с использованием трех спонгиозных винтов по следующим причинам.…”

“…Цель исследования -сравнить методом конечных элементов стабильность различных вариантов систем фиксации при артродезе голеностопного сустава. Кости и имплантаты считались изотропными и линейно-упругими [18,19,23]. Количественными характеристиками упругих свойств изотропного материала являются модуль Юнга и коэффициент Пуассона.…”

“…Количественными характеристиками упругих свойств изотропного материала являются модуль Юнга и коэффициент Пуассона. Механическими свойствами материалов по модулю Юнга для большеберцовой кости были 837 МПа, для таранной кости -13000 МПа, для имплантатов (сплав титана) -110000 МПа, а по коэффициенту Пуассона были одинаковыми и составляли 0,3 [18,19].…”