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Die Implementierung von Bewegungsanalysen in Finite Element Simulationen einwirkender Muskelkräfte zur Berücksichtigung zu erwartender Alltags- und Extrembelastungen für die patientenspezifische Osteosynthesesimulation älterer Patienten

by | Sep 3, 2018 | News, Rheumatologie + Osteoporose

Die Implementierung von Bewegungsanalysen in Finite Element Simulationen einwirkender Muskelkräfte zur Berücksichtigung zu erwartender Alltags- und Extrembelastungen für die patientenspezifische Osteosynthesesimulation älterer Patienten

Ihle C, Döbele S, Schäffler A, Hein T, Nolte A, Stöckle U, Kovacs L, König B

Fragestellung: In Deutschland wurden 2010 ca.380000 Frakturen osteosynthetisch versorgt. Osteosynthesen können versagen, wenn die patientenspezifische biomechanische Knochenfestigkeit sowie zu erwartende externe Belastungssituationen (Muskelaktivitäten bei Alltags- und Extrembewegungen) nicht berücksichtigt werden. Die Therapie insbesondere älterer Patienten muss auf eine patientenspezifische Osteosynthese zur zügigen Mobilisation und geringeren Komplikationsraten hinwirken.

Vor diesem Hintergrund soll in diesem BMWi geförderten ZIM Projekt ein Verfahren für die patientenspezifische Frakturversorgung insbesondere der alternden Gesellschaft entwickelt werden. Um realitätsnahe Simulationsergebnisse der Frakturversorgung zu erhalten ist es wichtig, die virtuelle Osteosynthese unterschiedlichen Belastungszuständen, welche auch unter alltäglichen Bedingungen zu erwarten sind, auszusetzen. Eine Frage ist, ob eine virtuelle biomechanische Belastungsanalyse unter Implementierung zu erwartender Muskel- und Gelenkreaktionskräfte möglich ist?

Methodik: Bewegungen, welche eine maximale Belastung auf die einzelnen anatomischen Abschnitte des Körpers generieren wurden am Beispiel des Femurs definiert. Gang- und Bewegungsanalysen am männlichen gesunden Probanden wurden durchgeführt. Die dreidimensionalen Bewegungsdaten wurden durch ein optisches Messsystem (Vicon, USA) mit Markern an Becken, Ober-, Unterschenkel und Fuß erfasst. Simultan wurde die Belastung in Richtung und Quantität über eine Kraftmessplatte (Kistler Instrumente AG, CH) aufgezeichnet. Im C3D-Format wurden diese Kraft- und Bewegungsverläufe in das CAE-Programm AnyBody (AnyBody Technology A/S, DK) übertragen. Eine Möglichkeit der Datenübertragung in die Finite Elemente (FE) Software ANSYS (Firma ANSYS Inc., USA) wurde geschaffen.

Ergebnisse: Hinsetzen, Gehen, schnelles Gehen und Drehbewegungen der unteren Extremität wurden als zu analysierende Bewegungen definiert und aufgezeichnet. Beim Hinsetzen aus der Drehung zeigten sich überlagerte Torsions- und Biegebelastungen des Femurs. Mit AnyBody werden auf Basis der inversen Dynamik, externer Kräfte sowie Bewegungen die Muskel- und Gelenkreaktionskräfte berechnet. Diese Größen können an die FE Software ANSYS als APDL-Skript als Rahmenbedingungen übergeben werden.

Schlussfolgerung: Eine virtuelle biomechanische und patientenspezifische Belastungsanalyse unter Berücksichtigung zu erwartender externer Belastungssituationen ist möglich. Mit AnyBody können realitätsnahe Belastungen ermittelt und diese mit ANSYS über ein FE-Modell abgebildet werden. Anhand der Implementierung zu erwartender Belastungen können Implantate auf ihre erwartete Beanspruchung hin überprüft und ggf. patientenspezifisch optimiert werden. Das ist die Basis durch patientenspezifische FE-Optimierungen in automatischen Berechnungsalgorithmen verschiedene Osteosynthesen virtuell zu optimieren. Dieses Modell wird auf weitere anatomische Bereiche übertragen.

Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2014). Berlin, 28.-31.10.2014. Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House; 2014. DocWI60-306

doi: 10.3205/14dkou440 , urn:nbn:de:0183-14dkou4402

Published: October 13, 2014
© 2014 Ihle 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.

Intraartikuläre distale Humerustrümmerfrakuren. Einfluss des primären Fixateur externe vor winkelstabiler Doppelplattenosteosynthese auf das klinische Outcome

by | Mai 2, 2016 | Hand, News

Intraartikuläre distale Humerustrümmerfrakuren. Einfluss des primären Fixateur externe vor winkelstabiler Doppelplattenosteosynthese auf das klinische Outcome

Kösters C, Doetsch E, Weimann A, Roßlenbroich S, Schliemann B, Raschke MJ, Lenschow S

Fragestellung: Distale Humerustrümmerfrakturen sind trotz der Fortschritte bei Osteosynthesetechniken und Implantaten weiterhin schwierig zu therapieren und sehr komplikationsträchtig. Die akute Ausversorgung mittels winkelstabiler Plattenosteosynthese wurde zunehmend von der zweizeitigen Versorgung mit initialer Stabilisierung mittels Fixateur externe und sekundärer Plattenosteosynthese abgelöst.

Ziel dieser Studie war es herauszufinden, ob es Unterschiede im Outcome nach einzeitiger oder zweizeitiger osteosynthetischer Versorgung gibt.

Methodik: 24 Patienten mit intraartikulären distalen Humerustrümmerfrakturen mit einem durchschnittlichen Alter bei Operation von 51 Jahren (Minimum 14, Maximum 84 Jahre) wurden in die Studie eingeschlossen. 15 Patienten waren mit einer einzeitigen winkelstabilen Doppelplattenosteosynthese (Gruppe A), 9 Patienten (Gruppe B) waren zunächst mittels Fixateur externe und im Verlauf mit Doppelplattenosteosynthese versorgt worden.

Das mittlere Follow-up lag bei 38 Monaten (Minimum 11, Maximum 88 Monate). Der Mayo Elbow Performance Score (MEP), der SF-36-Fragebogen, der Quick-DASH und der DASH Score wurden zur Erhebung von Schmerzen und funktionellem Outcome verwendet. Die Auswertung der Röntgenbilder wurde im Hinblick auf Arthrosezeichen und heterotope Ossifikationen durchgeführt. Die deskriptive Statistik wurde mit dem Mann-Whitney-U-Test erhoben.

Ergebnisse und Schlussfolgerung: Die Auswertung der funktionellen Outcome-Scores erbrachte signifikant bessere Ergebnisse im Quick-DASH (p=0,012) und DASH-Score (p=0,041) für die Gruppe A. Der SF-36 und der MEP zeigten keine signifikanten Unterschiede für beide Gruppen. Die Ellenbogenbeweglichkeit war mit einem durchschnittlichen Extensionsdefizit von 28° bei mittlerer Flexion von 118° und mittlerer Pronation/Supination von 79° und 76° relativ gering eingeschränkt. Ein signifikanter Unterschied zeigte sich im Hinblick auf die Extension, welche in Gruppe B deutlich schlechter war (p=0,048).

Die radiologische Analyse zeigte in 60% der Fälle Arthrosezeichen in Gruppe A und in 100% der Fälle in Gruppe B. Diese Ergebnisse waren jedoch nicht signifikant. Heterotope Ossifikationen traten in der der gleichen prozentualen Verteilung in beiden Gruppen auf. Auch diese Resultate waren nicht signifikant (p=0,052).

Perioperative Komplikationen wurden ohne statistische Signifikanz in Gruppe A mit 40% weniger häufig beobachtet als in Gruppe B mit 56%.

Nach einzeitiger Doppelplattenosteosynthese bei distalen Humerustrümmerfrakturen zeigen sich signifikant bessere Ergebnisse im klinischen Outcome im Vergleich zur zweizeitigen Versorgung mit initialer externer Fixation. Des Weiteren scheint eine initiale externe Fixierung ein Risikofaktor für eine dauerhafte Bewegungseinschränkung zu sein.

Hinsichtlich perioperativer Komplikationsrate, posttraumatischer Arthrosezeichen und heterotoper Ossifikationen zeigen sich ebenfalls bessere Ergebnisse für die primäre Osteosynthese. Signifikante Unterschiede waren hier jedoch nicht feststellbar.

 

Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2014). Berlin, 28.-31.10.2014. Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House; 2014. DocWI13-1225

doi: 10.3205/14dkou030, urn:nbn:de:0183-14dkou0306
Published: October 13, 2014

© 2014 Kösters 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.