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Fragestellung: In den letzten Jahren werden zunehmend Roboterversuche durchgeführt, um das biomechanische Verhalten von humanen Kniegelenken zu untersuchen. Dabei zeichnen sich zwei Trends ab. Zum einen wird die natürliche Flexion/Extension imitiert, indem Kräfte und Drehmomente abseits der Rotationsachse minimiert werden. Zum anderen werden etablierte medizinische Funktionstests mit definierten Belastungsprofilen eingestellt, die sich entlang einer Wirkungslinie bewegen bis eine Grenzlast erreicht wird. Die derart definierten Bewegungsmuster werden auf das native Gelenk aufgebracht und später mit dem defekten sowie dem versorgten Gelenk wiederholt, um die Kraft-/Momentreaktion miteinander zu vergleichen. Aus unserer Sicht sind diese Untersuchungen nicht ausreichend, um die Biomechanik eines Kniegelenks vollständig zu erfassen. Hierfür ist es erforderlich, die gesamte räumliche Kinematik des Gelenks abzutasten und die Kraft-/Moment-Reaktion währenddessen zu messen.

Methodik: Um die gesamte Kinematik des Kniegelenks zu erfassen, werden Tibia und Femur eines frisch aufgetauten porcinen Kniegelenks in Polyurethan eingebettet. Die Tibia wird fest mit der Basis des Roboterprüfstands gekoppelt, während der Femur durch den Endeffektor bewegt wird. Durch die Verwendung geometrisch definierter Gießformen, ist es möglich das Gewicht der Gießform neben dem des Roboterwerkzeugs zu kompensieren. Um den vollständigen Bewegungsumfang des Gelenks zu messen wird der Femur in Schritten von 5 ° von 0 ° bis 110 ° gebeugt. Während jedem Schritt wird eine laterale sowie eine mediale Seitneigung durchgeführt, bis jeweils ein Drehmoment von 5 Nm erreicht wird. Tibia sowie Femur werden während der Bewegung mit einem Tracking-System erfasst, um die relative Kinematik des Gelenks mitzumessen und den Abgleich mit numerischer Simulation zu ermöglichen. Um die Aussagekraft dieses Versuchprotokolls zu analysieren, werden vorderes sowie hinteres Kreuz-, Innen- und Außenband nacheinander durchtrennt.

Ergebnisse und Schlussfolgerung: Mit jedem durchtrennten Band nimmt der Bewegungsumfang des Gelenks zu. Die gesammelten Kinematikfunktionale können mit dem Super-Positions-Prinzip für die numerische Simulation des Gelenkverhaltens genutzt werden. Während sich die Durchtrennung des Kreuzbänder eine stärkere Erhöhung des Bewegungsumfangs in Beugungsnahen Stellungen verursacht. Bewirkt die Durchtrennung der Innen- und Außenbänder eine stärkere Seitneigung in Streckungsnahen Positionen.