by G. H. | Sep 12, 2018 | Hüfte + Endoprothetik, Knie + Endoprothetik, News
Reduziert die medial kurvierte Form der Nanos® Kurzschaft Prothese das „stress shielding“? Eine Analyse der Knochenumbauprozesse basierend auf einem in-vivo validierten Finite Element Modell
Lerch M, Windhagen H, Ettinger M, Thorey F, Kurtz A, Bouguecha A, Almohallami A, Stukenborg-Colsman C
Fragestellung: Das Design des Nanos® Kurzschaftes (Smith & Nephew) wurde anhand einer Durchschnittsgeometrie der lateralen und medialen Kortikalis von 565 Computertomographien von physiologischen proximalen Femura erstellt. Ziel ist eine physiologische Lasteinleitung über eine gute Anpassung an die mediale Kortikalis des Calcars. Trotz ermutigender Mittel- und Langzeitergebnisse ist unklar wie dieses spezifische Design auf den Verlauf der periprothetischen Knochendichte (BMD) wirkt. Ziel der Studie war die Simulation dieser Veränderungen mit Hilfe eines in-vivo validierten Finite Element Modells. Da die mediale Geometrie des Implantats theoretisch der Krümmung des medialen Clacars entspricht, wird die Hypothese aufgestellt, dass eine proximale und physiologische Lasteinleitung zu einem sehr guten bis überdurchschnittlichen Ergebnis in der numerischen Simulation führt.
Methodik: Wir haben erstmalig ein durch uns erstelltes und per prospektiver DEXA Studie erfolgreich validiertes numerisches Modell für Knochenumbauprozesse nach Kurzschaftprothesenimplantation auf die Nanos® Prothese übertragen. Das Modell basiert auf mechanischen Einflussgrößen und berücksichtigt den gesamten Gangzyklus. Simulierte Veränderungen der periprothetischen Knochendichte können sowohl qualitativ als auch quantitativ erfasst werden. Es wurden die Randbedingungen von Speirs et al. sowie ein erweitertes Knochenwachstumsgesetz von Huiskes et al. angewendet.
Ergebnisse und Schlussfolgerung: Ein Knochenmasseverlust von 2,3% des Femurs wurde nach erreichen der Konvergenzkriterien mit 63 Recheninkrementen berrechnet. Es zeigte sich ein starker Masseverlust im proximalen Calcar und ein leichter Anstieg am lateralen kortikalen Ring des Calcars, distal des Trochanter Minor und im lateralen, distalen Bereich des Schaftes.
Entgegen der eingangs formulierten Hypothese zeigt die durchgeführte Studie eine Verklemmung des Schaftes im Bereich der distalen Verjüngung, die dort zu einer Lasteinleitung führt.
Das spezifische Design hat folglich keinen überdurchschnittlich positiven Effekt auf den Knochenumbau in unseren Berechnungen gezeigt. Trotzdem wurde ein sehr geringer Knochenverlust des gesamten Femur nach Implantation des untersuchten Kurzschaftes simuliert. In Zukunft könnten numerische Simulationen vor der klinischen Einführung neuer Implantate deren Effekte voraussagen und damit die Patientensicherheit verbessern.
Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2014). Berlin, 28.-31.10.2014. Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House; 2014. DocWI60-236
doi: 10.3205/14dkou442, urn:nbn:de:0183-14dkou4428
Published: October 13, 2014
© 2014 Lerch et al.
This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/deed.en). You are free: to Share – to copy, distribute and transmit the work, provided the original author and source are credited.
by G. H. | Sep 3, 2018 | Knie + Endoprothetik, News
Finite element simulation of locking compression plates for femur fracture treatment under different boundary conditions
Jalali J, König B, Wittkowske C, Nolte A, Eder M, Raith S, Volf A, Kovacs L
Objective: The incidence of femoral shaft fractures is reported as being 1 per 10,000 people. This rate increases to 3 per 10,000 people in male individuals younger than 25 years and elderly patients, above the age of 65 years. The locking compression plate (LCP) is a common tool in the treatment of femoral shaft fractures. In osteoporotic patients, stable fixation of the plate can be a challenge since the bone often lacks the desired stability. This may lead to a high complication rate due to the loosening of screws or breakage of the implant.
Method: Finite element simulation is a powerful method to predict the effects of varying parameters which cannot be easily varied in a laboratory environment. In this project, which is funded by BMWi, an automated workflow was developed to support surgeons in their decision of the appropriate implant dimensions and where to place the screws in order to achieve an optimal fracture healing and to prevent implant failure after a femoral shaft fracture. This workflow has been used for the simulation of a non-osteoporotic 22-year old female and a 68-year old male with osteoporotic bone. A virtual transverse femoral shaft fracture with a gap of 3 mm was created using the software Blender (Blender Foundation). The exact geometry of a distal femur LCP was provided by Synthes (Synthes GmbH) as triangulated surface data.
CT data were imported into the software Mimics (Materialise) and used for patient specific modeling of the inhomogeneous material properties of bone. Hounsfield Units (HU) were exported and assigned to elements of a finite element mesh. HU of bone were correlated with mechanical properties such as the Young’s modulus. A linear finite element analysis was performed with ANSYS Classic (Ansys Inc.).
Results and conclusion: The boundary conditions are one of the most important parameters influencing the outcome a of finite element simulation. Three different loading situations which all model the physiological loading following surgery were compared.
- Force application from distal
- Force application from proximal
- Forces derived from a muscoskeletal model using the software AnyBody (AnyBody Technology A/S)
With this workflow monocortical and bicortical screw fixations were compared in variable positions to determine biomechanical effects. The optimal screws position in terms of interfragmentary movement was validated among different variations.
This workflow has also the potential to be used in other anatomical regions.
Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2014). Berlin, 28.-31.10.2014. Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House; 2014. DocWI60-1328
doi: 10.3205/14dkou441 , urn:nbn:de:0183-14dkou4411
Published: October 13, 2014
© 2014 Jalali et al.
This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/deed.en). You are free: to Share – to copy, distribute and transmit the work, provided the original author and source are credited.
by G. H. | Sep 3, 2018 | Knie + Endoprothetik, News
Ein dynamisches Finite Elemente Modell zur Untersuchung des hinteren Kreuzbandreleases nach Versorgung mit einer Knietotalendoprothese
Steinbrück A, Woiczinski M, Schröder C, Weber P, Müller PE, Jansson V
Fragestellung: Eine ausgeglichene Weichteil-Balancierung in Flexion und Extension ist für ein gutes postoperatives Ergebnis nach Knietotalendoprothese (KTEP) essentiell. Es besteht noch keine Einigkeit welchen Einfluss das erhaltene hintere Kreuzband (HKB) nach Prothesenersatz auf die Kinematik und auf die mechanischen Belastungen des Kniegelenkes hat. Ziel dieser Studie war es ein dynamisches Finite Elemente Modell eines prothesenversorgten Kniegelenkes zu erstellen und hierbei den Einfluss eines Release des HKB auf die mechanische Belastung des Protheseninlay, die Kniegelenkskinematik und retropatellare Druckveränderungen zu untersuchen.
Methodik: Mit einer Software (Amira) wurde ein 3D Modell eines Ganzbeines erzeugt, in die Finite Elemente Software (Ansys) importiert und mit einer KTEP (Columbus CR, Aesculap) virtuell implantiert. Die wichtigsten Band-, sowie Muskelstrukturen wurden mit modifizierten Federelementen umgesetzt. Die Erstellung der Randbedingungen des Computermodells erfolgte auf Basis eines bestehenden Kniegelenkskinemators, welcher eine Kniebeuge in sechs Freiheitsgraden simuliert. Durch eine Änderung der Quadrizepskraft in allen Flexionswinkel hält das dynamische Finite Elemente Modell eine Bodenreaktionskraft von 50 N konstant. Anschließend erfolgte an dem bestehenden Modell ein simuliertes Release des HKBs durch Steifigkeitsverminderung von 50% und 75%.
Ergebnisse und Schlussfolgerung: Das simulierte Release des HKBs von 50% und 75% der Ausgangssteifigkeit führte zu einer deutlichen Druckentlastung im Inlay. Dies wird speziell bei höheren Flexionsgraden ab 70 Grad sichtbar, wobei die Vergleichsspannung von Mises bei einem Flexionsgrad von 73° von 11,1MPa auf 7,8MPa bei 75% Release des HKBs abfällt (bei 50%: 8,9MPa).
Die Kinematikanalyse zeigte vor Release bis 35° Flexion eine posteriore Bewegung der Tibia gegenüber des Femurs von 2,1mm und anschließend bis 73° eine anteriore Bewegung von insgesamt 5,8mm. Nach 75% Release des HKBs stieg die posteriore Bewegung bis 35° Flexion auf 2,5 mm (bei 50%: 2,3 mm). Anschließend sank bis 73° die anteriore Gesamtbewegung auf 3,7 mm (bei 50%: 4,9 mm).
Die maximale äquivalente retropatellare Druckspannung von Mises betrug bei jedem Modell 0,53 MPa zu Beginn der Simulation und stieg auf 1,7 MPa bei 73° Flexion an. Durch ein HKB Release zeigten sich keine Veränderungen der retropatellaren Druckspannung.
Ligament balancing Techniken sind in vivo und auch bei Präparate-Studien extrem schwierig zu simulieren. Diese Studie zeigt, dass es möglich ist ein dynamisches Finite Elemente Modell zu erstellen, welches eine Kniebeuge simulieren kann. Die Spannung des HKBs nach Knietotalendoprothese, bei der Kniebeuge, hatte sowohl einen Einfluss auf die Kinematik des Kniegelenkes, als auch auf die Belastung im Inlay. Retropatellar zeigten sich in diesem Computermodell hingegen keine Veränderungen nach Release des HKBs.
Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2014). Berlin, 28.-31.10.2014. Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House; 2014. DocWI60-421
doi: 10.3205/14dkou439 , urn:nbn:de:0183-14dkou4397
Published: October 13, 2014
© 2014 Steinbrück et al.
This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/deed.en). You are free: to Share – to copy, distribute and transmit the work, provided the original author and source are credited.
by G. H. | Aug 28, 2018 | Fuß, Hand, Knie + Endoprothetik, News, Schulter, Wirbelsäule chir.
Wieviel Heilung braucht die Fraktur? Ermittlung der minimalen biomechanisch erforderlichen Fusionsfläche bei Tibiafrakturen in einem individualisierten Finite Elemente Modell
Tjardes T, Roland M, Otchwemah R, Bouillon B, Diebels S
Fragestellung: Die Diagnose ‚konsolidierten Fraktur‘ unterliegt immer noch keinem Konsens und beruht zu relevanten Anteilen auch auf Erfahrungswerten. Da jede Fraktur und jeder Patient eine einzigartige biomechanische Konstellation darstellen muß die Frage gestellt werden, ob jede Fraktur vollständig durchhaut sein muß, um voll belastbar zu sein, oder ob es ein Minimum an Fusionsfläche gefunden werden kann welches hinreichend ist um die auftretenden Belastungen abzutragen.
Methodik:
1. Frakturmodell:
An Sawbone Modellen der Tibia wurden zwei Frakturen von Typ AO 42-B1 und 42-A2 nachgebildet und mit einer winkelstabilen Plattenosteosynthese (Synthes) in typischer Weise versorgt.
2. Generierung des Datensatzes zur Modellentwicklung:
CT der Sawbones (Siemens, Somatom Definition Flash, DICOM Format)
3. Bildsementierungsprozeß (edge preserving regularization processes)
4. Entwicklung des Finite Elemente Modells:
Unter Nutzung des sog. ‚Hanging Node‘ Prinzips wird eine Reduktion des Datenvolumens erreicht
5. Festlegen der mechanischen Rahmenparameter: Stopkriterium des Optimierungsalgorythmus ist das Erreichen von 20% des maximalen von Mises Stresses (max.79,42) in Knochen/Implantat bei Belastungssimulation ohne Frakturheilung (Belastung entsprechend einem 80kg schweren Menschen)
6. Optimierungsalgorhytmus
Ein 16-schrittiger Optimierungsalorhytmus ermittelt die kleinste Fusionsfläche und deren Lokalisation die erforderlich ist um den Belastungsvorgaben (Stopkriterium) zu genügen.
Ergebnisse und Schlussfolgerung: Um eine physiologische Belastbarkeit der Fraktur zu erreichen ist eine deutlich geringere Fusionsfläche erforderlich als die komplette Frakturfläche. Im Abhängigkeit der Wahl der mechanischen Rahmenbedingungen ist eine Fusion auf <10% der Gesamtfrakturfläche hinreichend, um das vorgegeben Belastungsmaximum (20% des bei Belastung ohne Frakturheilung auftretenden von Mises Stresses in Knochen/Implantat)zu gewährleisten. Der entwickelte Workflow (s. Methodik 2.-5.) ist hinsichtlich der erforderlichen Rechenkapazität so strukturiert, daß er auf handelüblichen Desktop PC benutzt werden kann. Damit ergibt sich die Möglichkeit nach entsprechender Validierung die Frakturheilung individualisiert unter biomechanischen Gesichtspunkten zu beurteilen und ggf. eine gezielte Therapie (Spongiosaplastik) ausschließlich in den biomechnisch relevanten Bereichen der Fraktur durchzuführen.
Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2014). Berlin, 28.-31.10.2014. Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House; 2014. DocWI60-442
doi: 10.3205/14dkou438 , urn:nbn:de:0183-14dkou4385
Published: October 13, 2014
© 2014 Tjardes et al.
This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/deed.en). You are free: to Share – to copy, distribute and transmit the work, provided the original author and source are credited.
by G. H. | Aug 20, 2018 | Hüfte + Endoprothetik, Knie + Endoprothetik, News
Testung der Wirksamkeit von antibiotischen Therapien in einem chronischen hämatogenen Staphylococcus aureus Maus-Osteomyelitismodell
Kreis CAA, Tuchscherr L, Hoerr V, Medina E, Peters G, Fuchs T, Raschke MJ, Löffler B
Fragestellung: Staphylokokken gehören zu den am häufigsten isolierten Keimen in der Traumatologie und Orthopädie. Dabei ist Staphylococcus aureus ein pathogener Keim, der sehr häufig eine Osteomyelitis hervorruft und trotz antibiotischer Therapie zur Entwicklung von chronischen Infektionen neigt. Chronische und therapie-refraktäre Knocheninfektionen sind oft mit einem verändeten bakteriellen Phänotyp assoziiert, den sog. small-colony-variants (SCVs), die wahrscheinlich entscheidend zur bakteriellen Resistenzentwicklung beitragen.
Methodik: Die Beurteilung der Wirksamkeit verschiedener antibiotischer Substanzen (Rifampicin, Gentamicin, Cefuroxim) erfolgt in einem experimentellen Maus-Modell, welches bereits von Horst et al. (Am J Pathol., 2012) publiziert wurde und die humane Infektionssituation einer Osteomyelitis sehr nahe wiederspiegelt. Nach intravenöser Applikation einer definierten S. aureus-Dosis erfolgt die Knochenbesiedlung bei dieser Form der Osteomyelitis über die Blutbahn. Die antibiotische, intravenöse Therapie der infizierten Mäuse erfolgt im akuten und im chronischen Stadium der Osteomyelitis mit o.g. antibiotischen Substanzen. Der Entzündungsprozess des Knochens mit der einhergehenden Knochendeformierung wird in jeder Untersuchungsgruppe sowohl vor als auch nach antibiotischer Therapie mittels MRT visualisiert, was die Quantifizierung des inflammatorischen Fokus ermöglicht. Des Weiteren erfolgt im Anschluss die mikrobiologische Analyse durch Ausplattieren von infiziertem Knochenmaterial. Die Wirksamkeit der ausgewählten Antibiotika wurde zuvor in Osteoblasten-Zellkulturmodellen evaluiert.
Ergebnisse und Schlussfolgerung: Es zeigt sich, dass Rifampicin und Cefuroxim die Keimzahl und die Entzündungsreaktion im Knochengewebe in der akuten Infektionsphase reduzieren. Die Aktivität von Gentamicin erwies sich im Vergleich weniger effektiv. In der akuten Infektionsphase zeigt sich, das Gentamicin die SCV-Synthese induziert, was die Entwicklung Therapie-refraktärer Infektionen fördern könnte. In der chronischen Infektionsphase verlieren alle getesteten antibiotischen Substanzen ihre Wirksamkeit. Hier zeigt sich nach Abschluss der Therapie, dass kein Antibiotikum einen reduzierenden Effekt auf die Entzündungsreaktion, die Knochendeformierung oder die Keimzahl aufweist.
In diesem in-vivo Infektionsmodellen zeigt sich, dass Cefuroxim und Rifampicin in der akuten Phase der Infektion wirksam sind. Jedoch verlieren alle getesteten Antibiotika in der chronischen Infektionsphase ihre Wirksamkeit gegen persistierende Keime. Zudem findet durch Gentamicin eine Induktion der SCV-Bildung statt, was die Entstehung von chronischen, Therapie-refraktären Infektionen fördern könnte.
Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2014). Berlin, 28.-31.10.2014. Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House; 2014. DocWI59-791
doi: 10.3205/14dkou435 , urn:nbn:de:0183-14dkou4357
Published: October 13, 2014
© 2014 Kreis et al.
This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/deed.en). You are free: to Share – to copy, distribute and transmit the work, provided the original author and source are credited.
by G. H. | Aug 20, 2018 | Hüfte + Endoprothetik, Knie + Endoprothetik, News
Der Einfluss von Nanosilberpartikeln (OECD Referenzmaterial NM 300) auf humane Osteoblasten
Schaumburger J, Maderbacher G, Winkler S, Craiovan B, Grässel S, Grifka J, Springorum HR
Fragestellung: Zur Infektionsprophylaxe wird Silber bereits erfolgreich bei Stents, Wundverbänden und beschichteten Endoprothesen eingesetzt. Dabei wurde bisher mikropartikuläres Silber eingesetzt. Eine Erweiterung des Einsatzes auf PMMA-Knochenzement und Polyethylen wird diskutiert. Der Vorteil von nanopartikulärem gegenüber mikropartikulärem Silber besteht in einer deutlich besseren antibakteriellen Wirksamkeit bei geringerer Silber-Gesamtmenge. In der vorliegenden Studie wurden die zytotoxischen Auswirkungen des nanopartikulären Silber (OECD Referenzmaterial NM 300) auf humane Knochenzellen in vitro untersucht.
Methodik: Von 10 Patienten wurden Osteoblasten isoliert und im Monolayer proliferiert. Die Osteoblasten aus Passage 1 wurden in einer Dichte von 3000 Zellen/well in 96 Well-Platten ausgesät und für 48 Stunden mit Nanosilber in den Konzentrationen (0 ppm, 1 ppm, 10 ppm, 100 ppm, 1000 ppm) kultiviert. Anschließend wurden die Proliferation (BrdU) und die Vitalität (WST-1) der Zellen sowie die Zytotoxizität (LDH) der Substanz photometrisch gemessen und der Einfluß auf die Apoptoserate mittels Caspase Essay untersucht.
Ergebnisse: Die 3 Messparameter zeigten, dass es bei einer Konzentration von 1 ppm zu keiner relevanten Veränderung der Vitalität im Vergleich zur Kontrolle (0 ppm) kommt. Bei 10 ppm kam es zu geringer Abnahme der Proliferation bei gleichzeitiger erhöhter Zytotoxizität. Dieser Effekt war bei 100 ppm noch verstärkt. Ab einer Konzentration von 1000 ppm geht die Proliferation und Vitalität signifikant zurück und die Zytotoxizität im LDH-Test steigt signifikant an. Für die Apoptoserate zeigte sich keine signifikante Erhöhung in den verschiedenen Nanosilberkonzentrationen.
Schlussfolgerung: Unsere Versuche zeigen, dass zwischen 1 und 10 ppm noch keine Zytotoxizität des nanopartikulären Silbers vorliegt. Bei höheren Konzentrationen reduzieren sich die Proliferationsrate und die Vitalität. Um negative Auswirkungen für die Patienten zu vermeiden, ist eine Freisetzung von maximal 10 ppm nanopartikulärem Silber aus dem implantierten Biomaterial zu fordern.
Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2014). Berlin, 28.-31.10.2014. Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House; 2014. DocWI59-1330
doi: 10.3205/14dkou434 , urn:nbn:de:0183-14dkou4345
Published: October 13, 2014
© 2014 Schaumburger et al.
This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/deed.en). You are free: to Share – to copy, distribute and transmit the work, provided the original author and source are credited.
