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Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2015)

20.10. - 23.10.2015, Berlin

Einflüsse auf die Mehrkörpersimulation des Kniegelenks: Wie wirken sich unterschiedliche Bandsteifigkeiten und Bandansatzstellen auf die mechanische Reaktion des Gelenks aus?

Meeting Abstract

  • presenting/speaker Constantin von Deimling - Technische Universität München, Klinikum rechts der Isar, Klinik für Orthopädie und Sportorthopädie, München, Germany
  • Cornelia Lotter - Technische Universität München, Klinikum rechts der Isar, Klinik für Orthopädie und Sportorthopädie, München, Germany
  • Killian Grundl - Technische Universität München, Lehrstuhl für Angewandte Mechanik, Garching, Germany
  • Peter Föhr - Technische Universität München, Klinikum rechts der Isar, Klinik für Orthopädie und Sportorthopädie, München, Germany
  • Rüdiger von Eisenhart-Rothe - Technische Universität München, Klinikum rechts der Isar, Klinik für Orthopädie und Sportorthopädie, München, Germany
  • Daniel Rixen - Technische Universität München, Lehrstuhl für Angewandte Mechanik, Garching, Germany
  • Rainer Burgkart - Technische Universität München, Klinikum rechts der Isar, Klinik für Orthopädie und Sportorthopädie, München, Germany

Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2015). Berlin, 20.-23.10.2015. Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House; 2015. DocPO25-1233

doi: 10.3205/15dkou769, urn:nbn:de:0183-15dkou7694

Veröffentlicht: 5. Oktober 2015

© 2015 von Deimling et al.
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Gliederung

Text

Fragestellung: Simulationsmodelle anatomischer Gelenke beinhalten großes Potential zur effizienten Verbesserung von Prothesen und Operationsmethoden. Allerdings basieren die Modelle auf der manuellen Verknüpfung der tragenden Strukturen und ihrer Belegung mit Materialparametern, die evolutionsbedingt einer hohen Varianz unterliegen. Um den Einfluss dieser Schwankung auf die Simulationsmodelle systematisch zu untersuchen, wird die Sensitivitätsanalyse eingesetzt. Unter Verwendung eines Mehrkörpersimulationsmodells des porcinen Kniegelenks soll beispielhaft an der Flexion-Extension des Kniegelenks geklärt werden, wie stark sich abweichende Bandsteifigkeiten und Bandansatzstellen auf die äußere Kraft-/Momentreaktion des Kniegelenks auswirken. Wir gehen davon aus, dass die manuelle Festlegung der Bandansatzstellen das mechanische Verhalten des Modells in ähnlicher Weise beeinflusst, wie die Bandsteifigkeit.

Methodik: Für den Aufbau des Modells wurden Femur, Tibia und Fibula anhand von CT-Aufnahmen des porcinen Kniegelenks segmentiert und in die Mehrkörpersimulationssoftware (ADAMS, MSC Software) als Starrkörper überführt. Die Bänder wurden als nichtlineare Zugfedern gemäß Blankevoort abgebildet. Die Steifigkeiten k des Außen-, des Innen-, des vorderen Kreuz- und des hinteren Kreuzbandes wurden anhand üblicher Literaturwerte belegt. Die Bandansatzstellen y wurden anhand charakteristischer anatomischer Punkte festgelegt.

Für die Untersuchung der Sensitivität wurde die Methode von Morris eingesetzt. Alle Steifigkeiten und Ansatzstellen wurden nacheinander (one at a time) variiert. Dabei wurden die Steifigkeiten ausgehend von einer initialen Parametrisierung I0 um 10 % geändert und die Ansatzstellen um 5 mm in der Flexion-Extensions-Ebene verschoben. Die Sensitivität wurde anhand der durchschnittlichen Kraft- und der durchschnittlichen Momentreaktion während einer Flexion-Extension bewertet. Hierfür wurden jeweils die elementaren Effekte EEF für die Kraft- und EEM für die Momentreaktion gemäß Morris berechnet, die darüber Aufschluss geben, wie stark die Beeinflussung durch die Änderungen ist. Tabelle 1 [Tab. 1].

Ergebnisse und Schlussfolgerung: Zu unserer Kenntnis wurde in dieser Studie der Einfluss der Bandansatzstellen und der Steifigkeiten auf die Mehrkörpersimulation des Kniegelenks erstmals mit der Sensitivitätsanalyse nach Morris untersucht. Variationen der Ansatzstellen und Steifigkeiten des Außen-, des Innen- und des hinteren Kreuzbandes beeinflussen die Bewegung nur im geringen Maße. Ihre elementaren Effekte sind kleiner als 0,05. Stärker wirkt sich die Steifigkeitsvariation des vorderen Kreuzbandes i=4 aus (EEF=0,53;EEM=0,22). Die größten elementaren Effekte werden allerdings durch die Verschiebung der Bandansatzstelle des vorderen Kreuzbandes i=8 verursacht (EEF=2,83 und EEM=1,18). Um Prothesen und Operationsmethoden mithilfe der Mehrkörpersimulation zu verbessern, ist es daher unerlässlich die Position der Bandansatzstellen so genau wie möglich zu bestimmen.