gms | German Medical Science

Fragestellung: Nach der Implantation einer Knie Totalprothese können Rotationsfehler der Komponenten zu Instabilitäten führen. Weiterhin besteht die Gefahr eines vermehrten Polyethylen Abriebs und damit in der Folge eines Implantatversagens. Aus diesem Grund wurde bei einem neuen Knie Prothesen Design eine gewisse Unabhängigkeit von der Rotation der Komponente integriert. Auf diese Weise sollen die oben beschriebenen Probleme vermieden werden. Um die Design Kriterien zu überprüfen, wurde ein dynamisches FEA Modell entwickelt. Mit Hilfe dieses Modells sollen die Einflüsse der verschiedenen Rotationen auf die Kontaktspannungen die an der Oberfläche des PE wirken untersucht werden. Dabei werden verschiedene Bewegungsmuster simuliert

Methodik: Von einem CAD Model wurde ein dynamisches Finite Elemente Model (FEA) der femoralen Komponente und der Tibia des TC Plus Advance Designs (Smith & Nephew) generiert.

Geometrie: Die femorale Komponente und die Tibia wurden mittels quadrilateralen oder triangulären Elementen gemeshed. Das Polyethylen wurde mit hexahedral dominanten festen 3D Elementen gemeshed.

Material Eigenschaften: Femur und Tibia wurden als starre Körper angenommen. Das Insert wurde als ein elastisches ultra-hoch vernetztes Poly mit material nichtlinearen Eigenschaften angenommen (D'Lima, J Orthop Res, 2008).

Randbedingungen: Es wurden eine neutrale Stellung und 4 aktive Bewegungsmuster simuliert (Gangzyklus, Aufstehen vom Stuhl, Treppenlaufen und Kniebeugen Dabei wurden verschiedene Axiale Kräfte und Flexionswinkel angenommen, die aus der Arbeit von Bergmann entnommen wurden (Bergmann G et al, PLOS ONE, 2014).

Testbedingungen: Eine femorale Malrotation von ±6° und eine tibiale Komponenten Malrotation von ±15° wurde für die obigen Randbedingungen getestet. Die axiale Krafteinleitung betrug 3000N bei einer Lastverteilung von 60:40 medial zu lateral. Kontaktspannungen sowie die höchsten auftretenden Spannungen, Kontaktfläche und von Misses Spannungen wurden für jede Randbedingung berechnet.

Ergebnisse und Schlussfolgerung: Für den normalen Gangzyklus wurden keine erhöhten Spannungswerte in Abhängigkeit der verschiedenen Femurrotationen oder Tibiarotationen gefunden. Ebenso zeigte sich keine Abhängigkeit vom Flexionswinkel zwischen 0 und 30°. In gleicher Weise verhält es sich beim Aufstehen vom Stuhl. Die höchsten Kontaktspannungen wurden beim Treppensteigen gefunden. Aber auch waren diese Werte unabhängig von der jeweiligen Komponentenrotation. Bei sehr tiefer Flexion (130° traten bei etwas reduzierter Kontaktfläche leicht höhere Spannungen auf. Insgesamt lagen aber je nach Randbedingungen die Werte meist weit unter 20MPa. Das gleiche fand sich für die van Misses Spannungen.

Das hier verwendete neue PS Design zeigte in einem dynamischen FEA Model keine Erhöhung von Kontakt oder van Misses Spannungen für verschieden Rotationsstellungen der Komponente. Man kann deshalb davon ausgehen, dass das verwendete Implantat unempfindlich auf Fehlrotationen im untersuchten Bereich reagiert.