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.
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