Evaluation of the Mechanical Behavior of the Patellar and Semitendinosus Tendons Using Supersonic Shear-wave Imaging (SSI) Elastography and Tensile Tests

TL;DR

This study compares the mechanical stiffness of two knee tendons using imaging and physical tests, finding that the semitendinosus tendon is stiffer than the patellar tendon.

Contribution

The study introduces a combined method using supersonic shear-wave imaging and tensile tests to evaluate tendon stiffness in human cadavers.

Findings

The semitendinosus tendon had a significantly higher shear modulus than the patellar tendon.

A strong correlation was found between stress and shear modulus in both tendons.

The Young's modulus of the semitendinosus tendon was significantly higher than that of the patellar tendon.

Abstract

Objective
 To analyze the mechanical properties of the patellar (PT) and semitendinosus (ST) tendons from fresh-frozen human cadavers from a tissue bank using supersonic shear-wave imaging (SSI) elastography and tensile tests.

Methods
 We tested seven PT and five ST samples on a traction machine and performed their simultaneous assessment through SSI. The measurements enabled the comparison of the mechanical behavior of the tendons using the stress x strain curve and shear modulus (μ) at rest. In addition, we analyzed the stress x μ relationship under tension and tested the relationship between these parameters. The statistical analysis of the results used unpaired
t
-tests with Welch correction, the Pearson correlation, and linear regression for the Young modulus (E) estimation.

Results
 The μ values for the PT and ST at rest were of 58.86 ± 5.226 kPa and 124.3 ± 7.231 kPa respectively, and this difference was statistically significant. The correlation coefficient between stress and μ for the PT and ST was very strong. The calculated E for the PT and ST was of 19.97 kPa and 124.8 kPa respectively, with a statistically significant difference.

Conclusion
 The ST was stiffer than the PT in the traction tests and SSI evaluations. The μ value was directly related to the stress imposed on the tendon.

Clinical relevance
 The present is an evaluation of the mechanical properties of the tendons most used as grafts in knee ligament reconstruction surgeries.

Objetivo
 Analisar as propriedades mecânicas dos tendões patelar (TP) e semitendinoso (ST) obtidos de cadáveres humanos congelados enquanto ainda frescos, provenientes de banco de tecidos, utilizando elastografia por ondas de cisalhamento (
supersonic shearwave imaging
, SSI, em inglês) e testes de tração.

Métodos
 Sete amostras de TP e cinco de ST foram testadas em máquina de tração e simultaneamente avaliadas por SSI. As medidas geradas possibilitaram comparar o comportamento mecânico dos tendões por curva
stress
x
strain
e módulo de cisalhamento (μ) em repouso. Também foi analisada a relação
stress
x μ sob tensão, e testada a relação entre esses parâmetros. Os resultados foram submetidos a análise estatística pelos testes
t
não-pareado com correção de Welch, correlação de Pearson e regressão linear para estimativa do módulo de Young (E).

Resultados
 O μ dos TP e ST em repouso foi, respectivamente, de 58,86 ± 5,226 kPa e 124,3 ± 7,231 kPa, com diferença estatisticamente significativa. O coeficiente de correlação entre
stress
e μ dos TP e ST foi classificado como muito forte. O E calculado dos TP e ST foi, respectivamente, de 19,97 kPa e 124,8 kPa, com diferença estatisticamente significativa.

Conclusão
 O ST foi mais rígido do que o TP nos testes de tração e nas avaliações por SSI. O μ esteve diretamente relacionado com o
stress
a que o tendão é submetido.

Relevância clínica
 Avaliar as propriedades mecânicas dos tendões mais utilizados como enxerto nas cirurgias de reconstrução ligamentar do joelho.

Figures