13. Jahrestagung der Deutsche Gesellschaft für Biomechanik e. V.

Prof. Dr.

Prof. Dr.-Ing.

PD Dr.-Ing.

Einfluss des externen Knie-Flexionsmomentes auf die patello-femorale Belastung basierend auf internen in vivo Lasten und Kinematik

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Einleitung Obwohl die Knie-Totalendoprothetik (Knie-TEP) einer der erfolgreichsten orthopädischen Eingriffe ist, beeinträchtigen patello-femorale (PF) Komplikationen wie vorderer Knieschmerz häufig die Funktion des Gelenks. Während PF-Komplikationen oft mit hohen Belastungen in Zusammenhang gebracht wurden, sind diese nur schwer in vivo zu erfassen. Ziele Das Ziel dieser Studie war es die Abhängigkeit der PF Kontaktkraft von dem leichter erfassbaren externen Knie-Flexionsmoment (EFM) zu bestimmen, welches um die funktionelle Knie-Flexionsachse wirkt. Materialien &amp; Methoden Sechs Knie-TEP-Patienten (Alter 65-80 J.) aus dem CAMS-Knee-Datensatz [1] führten 5-6 Wiederholungen von Sitz-Stand-Sitz und Kniebeuge aus. Die in vivo tibio-femoralen (TF) Lasten wurden durch eine instrumentierte tibiale Komponente gemessen, während die interne TF und PF Kinematik durch ein mobiles Fluoroskop erfasst wurden. PF Kräfte wurden durch ein muskuloskelettales Modell ermittelt, welches auf den gemessenen TF Lasten sowie der fluoroskopisch erfassten TF &amp; PF Kinematik basierte. Ergebnisse Für Sitz-Stand-Sitz und Kniebeuge betrugen die max. in vivo gemessenen TF Kräfte 2,81 ± 0,34 Körpergewicht (BW) (mean ± SD) und 2,59 ± 0,51 BW, die max. EFMs 0,047 ± 0,007 Körpergewicht mal Körpergröße (BWHt) und 0,042 ± 0,011 BWHt, die max. PF Kräfte 2,62 ± 0,45 BW and 2,38 ± 0,61 BW. Mit R2 Werten von 0,94 and 0,84 ergab die lineare Regression zwischen EFM und PF Kraft Steigungen von 56 Ht-1 und 54 Ht-1 (Abb. 1). Zusammenfassung Die neuartige Kombination aus in vivo gemessenen TF Lasten und patellarer Kinematik minimiert die Unsicherheiten bzgl. der Co-Kontraktion und der Patella-Position. Die Ergebnisse erlauben eine schnelle Abschätzung der PF Kräfte, als potentielle Ursache für vorderen Knieschmerz. Literatur Taylor WR et al, J Biomech, 65:32-39, 2017 Trepczynski et al, J Neuroeng Rehabil. 15(1):101, 2018 Finanzierung DFG (TR 1657/1-1, SFB 1444), OrthoLoad Club, RMS Foundation.

Gelenkersatz

Vortrag

M.Sc.

Die in vivo wirkende Reibung im Kniegelenkersatz

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Der Einsatz des Kniegelenkersatzes steigt seit Jahren stetig an. Gründe für Revisionen sind vor allem aseptische Lockerungen, Instabilität und reibungsbedingter Abrieb. Zur Analyse der auftretenden Reibung im Gelenk wurden bisher ausschließlich Simulator Versuche genutzt, welche die tatsächliche Gelenkreibung in vivo jedoch nur eingeschränkt abbilden können. Messungen mit instrumentierten Hüftimplantaten haben jedoch gezeigt, dass sich die Reibung in vivo deutlich von den Simulatordaten unterscheidet. Ziel dieser Studie war es daher die Reibung im Kniegelenkersatz in vivo zu bestimmen. Mittels instrumentierter Knieimplantate wurden bei 6 Patienten die Gelenkbelastungen synchron mit fluoroskopischer Bildgebung beim Gehen aufgenommen. Anschließend wurden die Implantat-Kinematik (Abb. D+E) sowie die Lage der funktionellen Achse zu jedem Zeitpunkt rekonstruiert und die relativ zum Tibia Inlay gemessenen Belastung in diese transformiert, umso die in vivo Reibung zu quantifizieren (Abb. B+C). Die Ergebnisse zeigen deutliche Lageänderungen der funktionellen Achse in proximo-distaler Richtung und eine anterior-posteriore Translation. Die resultierende Reibung zeigte deutliche kinematische Abhängigkeiten: So steigt der Reibkoeffizient (µ) zu Beginn der Standphase an und nimmt im weiteren Lastzyklus ab, um während der Schwungphase ein absolutes Maximum zu erreichen. Dieser Anstieg in der Schwungphase ist vergleichbar zur Hüfte, wo während der Schwungphase die höchsten µ ermittelt wurden. Diese ersten in vivo Daten zur Reibung im Kniegelenkersatz zeigen, dass diese ein hochdynamischer Belastungsparameter ist und nur bedingt mit etablierten in vitro Ergebnissen verglichen werden kann. Obwohl Belastung und Kinematik interindividuell vergleichbar sind, zeigen sich doch deutliche Unterschiede in den individuellen Reib- und Schmierbedingungen. So deuten die in vivo ermittelten Reibwerte während der Standphase auf Mischreibung im Gelenk und auf Trockenreibung in der Schwungphase hin.

Dr. Ing.

Does vibratory implant insertion show any benefit due to the viscoelastic characteristics of the bone?

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Introduction: Press-fit implants are impacted into undersized bone cavities. Increased impaction frequency was shown to reduce the impaction forces [1] apparently due to the viscoelastic behavior of the bone [2]. Aim: Investigating the effect of vibratory implant insertion on the implantation process and the achieved primary stability in viscoelastic and non-viscoelastic human bone substitutes. Materials and Methods: Acetabular cups (Pinnacle, DePuy Synthes, UK) were implanted into 1mm undersized cavities in PU foams (SYNBONE, CH) and in porcine acetabula using devices providing 60Hz (Behzadi Medical Device, USA) or 1Hz (KINCISETM, DePuy Synthes, USA) strokes. Impaction forces were measured (Fig. 1). Achieved cup positions and resulting polar gaps were determined by aligning pre- and post-implantation 3D laser scans. The cup lever-out moment was a measure of primary stability (Z010, Zwick Roell, DE). Results: Impaction force was higher with 1Hz impaction compared to 60Hz (both p&lt;0.001; Fig. 2) and the cup seated deeper (Polar gap mean±SD; bone: 2.0±0.2, PU foam: 2.2±0.8 vs. bone: 4.5±1.6, PU foam: 4.7±0.4). The lever-out moments were significantly higher for cups inserted with 1Hz (both p&lt;0.001; Fig. 2). Conclusion: PPF risk could possibly decline by increasing the impaction frequency, but this comes along with reduced primary stability, likely as a result of incomplete seating. The similarity of the results between the not-viscoelastic material and the viscoelastic material indicates that the implantation process is a matter of overcoming the friction between the implant coating and bone tissue. The differences could be due to additional microstructural bone damage in the interface due to the higher number of impacts (enlarging of the cavity). The provision of implants and surgical instruments by DePuy Synthes is kindly acknowledged. References: [1] Nakasone et al., J. Arth. 2012 [2] Ruhr et al., Bone Jt. J 2023

Univ.-Prof. Dr. med. habil.

Untersuchung der Antibiotikafreisetzung und mechanischen Belastbarkeit von PMMA-Spacern in Abhängigkeit der intraoperativen Antibiotikazumischung

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Einleitung:Eine häufige Revisionsursache beim Gelenkersatz ist die periprothetische Infektion. Dabei gilt der zweizeitige Wechsel als Goldstandard. In dieser Studie wurden die biomechanischen und pharmakokinetischen Eigenschaften von Knochenzementen mit zusätzlich per Hand zugemischten Antibiotika in-vitro miteinander verglichen. Ziel der Studie war die Untersuchung von intraoperativ zugemischten Antibiotikamengen bei unterschiedlichen Zementen und deren Einfluss auf die Antibiotikafreisetzung und mechanischen Festigkeit. Material und Methoden:Vancomycin (V) und Gentamicin (G) wurden manuell drei Knochenzementen (Palacos, Copal, CopalSpacem) zugemischt. Es wurden standardisierte Zementproben nach ISO 5833 hergestellt. Die drei Zemente wurden jeweils mit einer niedrigeren (0,5g G + 2g V) und einer höheren Antibiotikagesamtmenge (0,5g G+4g V) untersucht. Daraus ergaben sich sechs Gruppen. Die Zementproben wurden in phosphatgepufferter Salzlösung bei 37°C inkubiert. Die Freisetzung wurde im 6-wöchigem Verlauf (10 Zeitpunkte) untersucht. Darüber hinaus wurden die mechanischen Eigenschaften mittels Vierpunkt-Biege-Versuch (ISO 5833) nach 24 Stunden und 6 Wochen untersucht. Ergebnisse:Es zeigten sich statistisch signifikante Unterschiede in der Freisetzung der drei verwendeten Zemente. Die Proben mit höheren Vancomycin-Mengen setzten sowohl mehr Vancomycin, als auch Gentamicin frei. Das Freisetzungsmaxima wurde für allen Proben innerhalb von 24h erreicht. Die mechanische Testung zeigte zwischen den Zementen signifikante Unterschiede. Allen gemeinsam war die Abnahme der Biegefestigkeit bei höherer Antibiotikamenge. Zusammenfassung:Um beim septischen Wechsel ausreichend hohe lokale Antibiotikakonzentrationen zu erreichen ist eine zusätzliche intraoperative Antibiotikagabe zu Knochenzementen klinische Routine. Die Wahl des Zementes und die zugemischte Antibiotikamenge haben jedoch einen signifikanten Einfluss auf die mechanische Stabilität sowie die Antibiotikafreisetzung.

Grundlagen eines REFRAME-basierten Ansatzes für kinematische Phänotypen: Interpretation der Ursprungsposition des femoralen Referenzrahmens bei verschiedenen Implantatdesigns für Knie-Totalendoprothesen

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Hintergrund In der modernen Knieendoprothetik streben Chirurgen zunehmend eine individualisierte Implantatauswahl auf der Grundlage datengestützter Entscheidungen an, um die Patientenzufriedenheit zu verbessern. Ziel dieser Studie war es, einen ersten Schritt zur Identifizierung leicht zugänglicher und intuitiver Merkmale zu machen, die eine Unterscheidung zwischen Implantatdesigns auf der Grundlage kinematischer Daten ermöglichen. Methoden An acht frisch gefrorenen Präparaten, die in einem experimentellen weight-bearing Kniekinemator getestet wurden, wurde ein Kniebeugezyklus simuliert. Jedes Kniegelenk wurde zunächst unter nativen Bedingungen und dann nach Implantation von vier verschiedenen Implantattypen (CR/CS,MS,LS und PS) getestet. Die kinematischen Signale dieser fünf Konfigurationen wurden verglichen, um festzustellen, ob wesentliche Unterschiede zwischen den Implantaten mit zwei Methoden festgestellt werden konnten: statistische parametrische Zuordnung und ein zweiter Ansatz unter Verwendung von REFRAME, zur Bestimmung der funktionellen Rotationszentren für die Femurkomponente. Ergebnisse Während die statistische parametrische Zuordnung der kinematischen Daten bei bestimmten Vergleichen (z. B. LS vs. PS und MS vs. LS) unter einfachen statistischen Testbedingungen nur geringe Unterschiede ergab, zeigte die Anwendung von REFRAME deutliche Unterschiede zwischen den Implantaten (für alle Implantatkombinationen außer CR/CS vs. LS), selbst bei konservativen statistischen Tests. Diskussion und Schlussfolgerung Da für die meisten Implantatkombinationen mit REFRAME signifikante Unterschiede in den Rotationszentren festgestellt wurden, könnte dieser Ansatz ein geeignetes Instrument zur Unterscheidung zwischen der Kinematik verschiedener Implantattypen darstellen. Die präoperative Bewertung der Gelenkkinematik in Kombination mit der Anwendung von REFRAME könnte daher einen wichtigen Ansatz für eine verbesserte klinische Auswahl des Implantattyps darstellen.

Influence of TKA design geometry on the modulation of postoperative knee joint kinematics is more evident during unloaded conditions

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Introduction Total knee arthroplasty (TKA) is an established procedure with 95% survivorship but 14-39% dissatisfaction. One of the reported causes is anterior knee pain due to paradoxical anterior sliding or insufficient rollback [1]. The aim of this study was to analyze whether TKA geometry impacts the in-vivo rolling/sliding ratio and thus modulates the kinematic. Methods Four cohorts (10 each) of patients were analyzed: gradually changing radius PS and CR (G-CurvePS, G-CurveCR), asymmetric bicruciate stabilized and CR (A-BCS, A-CR). Fluoroscopy was conducted in loaded lunge and unloaded flexion-extension [2]. 3D CAD models were registered to the fluoroscopic images. Medial/lateral points (anterior posterior translation) and femoral condyles path were determined (Fig 1). The Sliding/ Rolling ratio was defined as the quotient of the AP-translation and the femoral path length. Results During unloaded flexion-extension and loaded lunge the G-Curve designs showed a behavior near a hinge joint until mid-flexion followed by an increase in rolling/sliding towards posterior until maximal flexion. Both asymmetric designs slid spontaneously to anterior during early flexion but then rolled/slided posterior. This pattern was still present but also reduced during loaded lunge (Fig 2). Discussion Combination of changing radius and posterior cruciate ligament strategy in the G-Curve PS/CR seems to stabilize the kinematic across flexion while the asymmetry in the A-BCS and A-CR designs showed initial instability followed by sudden posterior movement. These patterns were however reduced by loading with unloaded settings allowing to better identify kinematic differences between designs. However, these changes as well as the influence of factors such as tibial posterior slope need to be analyzed in larger cohorts. References 1. Maratt et al., JoA. 2015 2. Pfitzner et al., KSSTA. 2017 Acknowledgements DFG (EH 422-2-1/MO 3865-1-1).

Entwicklung eines In-vitro-Modells zur Untersuchung von Squeaking-Effekten bei Keramik-Keramik-Gleitpaarungen in der Hüftendoprothetik

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Keramik-Keramik-Gleitpaarungen weisen das geringste Verschleißverhalten in der Hüftendoprothetik auf. Jedoch kann es bei dieser Gleitpaarung zu Quietschgeräuschen kommen, dem sog. Squeaking. Die Auftretenswahrscheinlichkeit liegt zwischen 0,7 % und 20,9 %. Als Ursache werden u.a. patientenindividuelle Faktoren, edge loading, Drittkörperverschleiß sowie die Schmiereigenschaft des Fluidfilms genannt. Patientenbefragungen ergaben eine hohe Unzufriedenheit durch das Squeaking, was wiederum zu einer Revision führen kann. Die In-vitro-Studie untersucht den Einfluss der Komponentenausrichtung, der Viskosität des Testfluids, der Rauigkeit sowie der Flächenpressung auf ein mögliches Auftreten von Squeaking-Effekten. Hierfür wurde ein Versuchsaufbau zur Simulation von Extremstellungen entwickelt (vgl. Abb. 1). Die Viskosität des Fluidfilms wird durch Testfluid mit verschiedenen Proteingehalten untersucht sowie mit VE-Wasser und einer Testung mit angefeuchteten Komponenten. Für den Einfluss der Rauigkeit werden aufgeraute Keramik-Köpfe verwendet. Eine erhöhte Flächenpressung wird durch die Gleitpaarung eines Inlays mit kleineren Köpfen erreicht. Dies soll zu Flächenpressungen führen, wie sie auch bei edge loading-Phänomenen auftreten können. Die applizierte Bewegung erfolgt gemäß ISO 14242-1. Anhand von Tonaufnahmen wird eine Frequenzanalyse erstellt, um Squeaking-Effekte zu detektieren. Eine veränderte Komponentenausrichtung und Viskosität des Testfluids haben kein Squeaking hervorgerufen. Ein aufgerauter Kopf sowie eine erhöhte Flächenpressung haben mit Testfluid oder VE-Wasser ebenfalls keine Squeaking-Effekte ergeben. Bei angefeuchteten, polierten Komponenten ist nach wenigen Zyklen Squeaking aufgetreten. Jedoch sind bei der Testung eines aufgerauten Kopfes im angefeuchteten Zustand keine Squeaking-Effekte aufgetreten. Somit könnte mit einer veränderten Oberfläche der Köpfe die Auftretenswahrscheinlichkeit für Squeaking-Phänomene reduziert werden.

Einfluss verschiedener patientenspezifischer Bewegungsbereiche (ROM) auf die optimale Implantationszielzone in der Hüftendoprothetik

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Die präoperative Planung in der Hüftendoprothetik kann auf Basis zahlreicher morphologischer Parameter durchgeführt werden. In einem von Habor et al. vorgestellten Ansatz wurden verschiedene Implantationszielzonen (target zones) berechnet, die zu einer kombinierten Zielzone (combined target zone (CTZ)) vereint wurden [Habor 2021]. Neben morphologischen Aspekten (MorphTZ) wurden auch ROM (ROMTZ) und postoperative Belastung (LoadTZ) im Implantat berücksichtigt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde untersucht, inwieweit der ROM die ROMTZ beeinflusst. Die Untersuchung wurde mit einem Datensatz von 112 japanischen Hüft-TEP-Patienten durchgeführt. Die Oberflächenmodelle wurden zur Analyse in eine Referenzposition transformiert (Abb1). Zur Analyse wurden mögliche Positionen des Pfannenimplantats für Inklinationswinkel zwischen 10° und 70° und Anteversionswinkel zwischen -20° und 50° auf Prothesen-Impingement untersucht. Die Untersuchung wurde mit 3 verschiedenen ROM-Definitionen aus der Literatur durchgeführt. Zusätzlich wurde die Berechnung mit dem im Rahmen der Anamnese gemessenen ROM (Harris-Hip Score) durchgeführt (Abb2). Die ROMTZ zeigten deutliche Unterschiede in Abhängigkeit vom jeweiligen ROM. Während für den von Widmer et al. vorgestellten ROM 40% der Patienten keine ROMTZ aufwiesen und nur 5 Patienten eine ROMTZ von mehr als 10% erreichten, konnten für die ROM-Definition nach Turley et al. 28% der Patienten eine ROMTZ von mehr als 20% erreichen. Der präoperativ gemessene individuelle ROM konnte bei ca. 50% der Patienten eine ROMTZ von mehr als 50% realisieren. Die Untersuchung zeigt die Relevanz des gewünschten ROM für die CTZ-Berechnung. Die Ermittlung eines patientenspezifischen ROM und die Berücksichtigung bei der präoperativen Planung kann dazu beitragen, die Hüft-TEP-Implantation weiter zu verbessern und somit die Anzahl der Revisionseingriffe zu verringern. Abbildung 1: a. Referenzposition und Bewegungsrichtungen, b. Darstellungsart der CTZ.

Session 8
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