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

Prof. Dr.

Prof.

M.Sc.

The trade-off between running economy and cumulative knee joint loading in running when systematically altering trunk lean angle

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Introduction Altering anterior trunk leaning (ATL) may be a particularly interesting variable to redistribute lower extremity joint loading because the trunk has the largest segmental mass. There is some evidence that running with ATL reduces cumulative knee joint loading (cKJL), but a potential trade-off with running economy (RE) is currently uncertain. Objectives Establishing dose-response relationships by investigating the effects of a systematic modification of ATL on cKJL and RE in running. Methods Twenty-nine recreational runners underwent a series of six treadmill runs (2.5 m/s) with five predefined (from -4° extension to 28° flexion) and one self-selected ATL condition for five minutes each. Motion capturing was used to determine joint biomechanics. cKJL was calculated by multiplying the time integral of the dominant direction of the joint moment curve by the number of strides required to complete a 1000-m distance. 3D marker data were live-streamed using a custom-made model to provide real-time feedback on ATL angle to the participants. RE was quantified using spirometry. Results The modification in ATL systematically altered cKJL (p &lt;.001, rmANOVA) in all conditions. Linear regression revealed that each degree of ATL reduced cKJL by 1.06 Nm·s/kg/1000 m (Fig.1A). However, the results of RE indicate that running outside the preferred running style increases oxygen uptake. ATL28° is characterized by a reduction of 11.01% (pbonferroni &lt; .001) in RE compared to the self-selected ATL condition (Fig.1B). Summary Increasing ATL leads to a linear decrease in cKJL. Deviating from self-selected ATL worsens RE. Designing load-management interventions based on ATL seems promising because of the potential real-world quantification with IMUs. However, when implementing this intervention in clinical practice the trade-off between cKJL and RE must be considered. Fig 1. cKJL was negative, but is presented in absolute terms. The grey dot is the self-selected condition.

Sportbiomechanik

Vortrag

PD Dr.

Leg mechanics during single leg hop landing 2 years after InternalBrace-augmented ACL repair compared with ACL reconstruction and controls

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Introduction Leg mechanics are altered after anterior cruciate ligament reconstruction (ACL-R)1. Although proponents of ACL-preserving InternalBrace-augmented repair (ACL-IB) believe that knee mechanics can be restored with this technique2, there is currently no evidence. Aim To compare landing mechanics between the legs in ACL-IB and ACL-R, and between patients (involved) and controls (non-dominant leg). Method Twenty-nine ACL-IB (sex 13m; age 36.8 years; BMI 24.7kg/m²; 25 months post surgery), 27 ACL-R (hamstring autograft; 13m; 37.0 years; 25.0 kg/m²; 24 months post surgery) and 29 controls (13m; 37.0 years; 23.4 kg/m²) completed single-leg hops for maximum forward distance. Maximum sagittal joint angles, moments and vertical ground reaction forces, and joint work contributions during landing (initial contact to peak knee flexion) were analyzed using motion capture. Leg differences within patients and between groups were tested using t-tests and analysis of variance (Tukey post hoc; p=.05, respectively). Only significant differences with a 95% confidence interval (CI) not overlapping with the 95%CI of the leg difference within controls (i.e., greater than expected in healthy subjects) were deemed meaningful and reported. Results Only in ACL-IB the operated knee had a meaningful lower maximum flexion angle (-8.3°; P=.001) and moment (-0.6 Nm/kg; P&lt;.001) than the uninvolved knee, and a meaningful lower maximum knee flexion moment than controls (-0.5 Nm/kg; p=.020; Tab.1). There were no differences in the involved legs between ACL groups (Tab.1). Conclusion The lack of meaningful differences between ACL patients does not preclude that some patients have abnormal landing mechanics in the involved leg. In addition, ACL-IB does not appear to achieve normal landing mechanics. It is still unclear how the observed differences after ACL-IB relate to the risk of (re)injury or joint disease. 1Kotsifaki et al. Br J Sports Med 2020 2Rilk et al. Arthrosc Tech 2023

Sensitivity of musculoskeletal model parameters during gait simulations

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Introduction Personalized gait simulations enable the creation of individualized interventions [1]. This includes personalization of the musculoskeletal model, which is challenging as even a simple two-dimensional model contains more than 250 empirical parameters that could be personalized [2]. Furthermore, also simulation parameters such as movement objectives could be personalized. Our goal was to explore which parameters affect simulated gait most and thus should be personalized. Methods We assessed the sensitivity of musculoskeletal parameters via a Morris sensitivity analysis [3]. In Morris&quot; method, a single parameter is changed per function evaluation while keeping others constant. Each function evaluation corresponds to one predictive 2D optimal control gait simulation. For every simulation parameter, we ran 80 simulations to obtain the mean absolute (μ*) and standard deviation (σ) of gait variations. We then evaluated to which extent simulation and musculoskeletal parameters affect simulated gait parameters, for example walking speed and knee range of motion. Results &amp; Conclusion Figs. 1 &amp; 2 show the average effect of a parameter deviation and its standard deviation. We found that muscle parameters had the largest influence on the gait speed (Fig. 1). When looking at muscle parameters separately, we found that contractile element and tendon lengths affected the knee range of motion most (Fig. 2). The results for variations in cadence are similar to both. In conclusion, we showed that muscle-related elements, particularly contractile element and tendon lengths, have the highest effect on simulated gait parameters. References [1] De Groote et al., Proc Royal Soc B (2021) [2] Delp et al., IEEE Trans Biomed Eng (2007) [3] Morris, Technometrics (1991) Fig. 1: Parameter screening screening results regarding walking speed. Fig. 2: Parameter screening screening results regarding muscle parameters&quot; influence on knee range of motion.

Numerische Methoden und Studien (FEM, CFD, MKS)

The effect of forced running exercise on the knee joint articular cartilage in Col9a1 deficient mice

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Introduction The mechanosensitive protein collagen IX (Col9) is located on the surface of collagen II-containing fibrils and involved in their interaction with each other and with other extracellular matrix (ECM) components1. Col9a1 deficient mice (Col9a1-/-) have an abnormal growth plate structure and an increased incidence of osteoarthritis (OA)2. Our study aimed to analyze the effect of forced running exercise on articular knee joint cartilage in Col9a1-/- mice. Methods 12-week-old female wildtype C57BL/6N (WT) and Col9a1-/- mice2 were divided into control (CON) and exercise (EXE) groups (n=10/group/genotype). The EXE group was trained on a treadmill (20% incline, 20 m/min) five times a week for 40 min/day for 6 weeks. At an age of 18 weeks, knee cartilage degeneration was assessed using a modified OARSI score. Mechanical properties were analyzed by AFM-nanoindentation and the ECM was evaluated using immunohistochemistry and immunoblotting. Results None of the groups showed obvious cartilage degeneration. However, the articular cartilage of Col9a1-/- EXE mice had an increased elastic modulus while in the cartilage of Col9a1-/- CON mice MMP-13 staining intensity was significantly (p&lt;0.05) increased compared to WT CON mice. Significantly (p&lt;0.05) reduced COMP staining intensity and protein levels were detected in both Col9a1-/- groups compared to the WT groups. Interestingly, running exercise led to stronger reduced COMP staining intensity in Col9a1-/- EXE mice compared to Col9a1-/- CON mice. Discussion In Col9a1-/- mice, biomechanical and biochemical properties of articular cartilage are affected by running exercise. Increased MMP13 staining in Col9a1-/- CON mice might explain the increased susceptibility for OA and a first sign of beginning OA that is further enhanced in the EXE group indicated by more pronounced COMP loss. 1Zaucke F &amp; Grässel S, Histol. Histopathol. 24: 1067-79, 2009 2Fässler R et al. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 91: 5070-4, 1994

Mechanobiologie, regenerative und zelluläre Biomechanik

Oberflächenstrukturierung zur Reduzierung von Reibung &amp; Verschleiß niedrig-kongruenter keramischer Gleitpaarungen für Endoprothesen

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) In klassischen Gelenken wie der Hüfte stellen Keramik-Keramik-Gleitpaarungen eine verschleißarme Variante zu Polyethylen dar. Beim zunehmend jünger werdenden Patienten könnten diese auch in niedrigkongruenten Gelenken wie der Schulter ein Alternative dar stellen. In vielen technischen Systemen werden strukturierte Oberflächen zur Reibminderung eingesetzt. Neben der Förderung eines tragfähigen Schmierfilms kommen diese der Reduzierung des Dreikörperverschleißes zugute. Diese Studie zielt darauf ab, Oberflächenstrukturen hinsichtlich ihres Reibverhaltens und der Förderung eines tragfähigen Schmierfilms für diesen Einsatz zu entwickeln und zu bewerten. Zur Reibreduktion wurden verschiedene Dimple-Strukturen auf keramische Hüftköpfe aufgebracht, welche sich im Durchmesser und der Strukturabstände unterschieden (vgl. Abb1). Das ermittelte Reibmoments basiert auf der Dämpfung eines Pendels in dessen Drehzentrum die zu untersuchenden Gelenke artikulieren. Hierbei wurden Radial Mismatches von 0, 2 und 4mm durch Variation der Insertgröße realisiert. Auf Basis der Versuche wurde ein valides Simulationsmodell zur Abbildung des Schmierfilms erstellt. Hierbei wurde die Schmierfilmentwicklung unter Einbeziehung der Flussfaktoren bewertet. Durch das Einbringen von Strukturen in keramische Gleitpartner konnte im in-vitro Modell eine deutliche Abnahme des Reibmoments von bis zu 48% erzielt werden. Dieser Effekt verstärkt sich zusätzlich bei abnehmender Kongruenz (vgl. Abb2). Die Bewertung des Schmierfilmverhaltens im Simulationsmodell bestätigt diese Erkenntnisse durch den Nachweis eines Schmierfilms mit positivem Tragdruck durch das Einbringen von Strukturen. Dimple-Strukturen bei keramischen Gleitpaarungen können entsprechend auch in niedrigkongruenten Implantaten sehr vorteilhafte Reibeigenschaften in niedrigkongruenten Implantaten aufweisen. Deren Einsatz in der Endoprothetik könnte wegweisend für die Verbesserung der Haltbarkeit sein.

Materialien & Tribologie

Die Reibungseigenschaften von degeneriertem Knorpel korrelieren nicht mit dessen biomechanischen Eigenschaften

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Fragestellung: Für gesunde, tierische Knorpelproben wurde gezeigt, dass auf Basis biomechanischer Eigenschaften Rückschlüsse auf die Reibung gezogen werden können1. Ob dies auch bei humanem, degeneriertem Knorpel der Fall ist wurde bisher nicht untersucht. Ziel dieser Studie war es deshalb die Druck- und Reibungseigenschaften degenerierter humaner Knorpelproben zu korrelieren. Methoden: Mittels Indentationsmapping wurde die Knorpeldicke (t in mm), die Maximalkraft (Fmax in N), die initial elastische (IM in MPa bei t=1 s) und viskose (Et20s in MPa bei t=20s) an sechs humanen Tibiaplateaus (72±6 Jahre; KL:3-4; IRB 228/20) an vier standardisierten Stellen bestimmt (Abb. 1A). Nachfolgend wurden zylindrische Proben (Ø6mm) entnommen und die Reibung in einem Pin-on-Plate Prüfstand gegen Glas untersucht (Abb. 1B). Als Lubrikant diente 0,1 ml der spenderspezifischen Synovialflüssigkeit. Der Reibungskoeffizient µ wurde zu den Zeitpunkten t=1s (µt1s) und t=20s (µt20s) berechnet. Abschließend wurden die biomechanischen und tribologischen Parameter mittels Spearman-Korrelationskoeffizient statistisch analysiert (Signifikanzniveau 0,05). Ergebnisse: Mit Ausnahme von µIt1s, µIt20s und t (r:-0,53 p&lt;0,05; r:-0,48 p&lt;0,05) konnten keine Zusammenhänge zwischen der Reibung und den biomechanischen Parametern festgestellt werden (Abb. 2). Schlussfolgerungen: Die vorliegenden Ergebnisse deuten darauf hin, dass die tribologischen und biomechanischen Eigenschaften degenerierter Knorpelproben nicht korrelieren. Grund dafür könnte die komplexe Pathologie der Arthrose sein, die zu unterschiedlichen Veränderungen im Gewebe führt. Allerdings wurden die biomechanischen Untersuchungen im Gewebsverbund, die Reibungsuntersuchungen an extrahierten Proben durchgeführt. Zukünftige Reibungsuntersuchungen sollten den Gewebsverbund berücksichtigen. 1Kupratis et al. (2022) Acta Biomater.; 2Warnecke et al. (2019) Sci Rep; 3Neu et al. (2010) Arthritis Rheum; 4Caligaris et al. (2009) Osteoarthr. Cartil

Dr. Ing.

Reduziertes Frakturrisiko bei der Verwendung von Kragenprothesen

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Zementfreie Kragenprothesen (KP) zeigen in Registern gegenüber den Standardformen (SP) ein geringeres Revisionsrisiko besonders bei periprothetischen Frakturen (PPF) [1,2]. Es wird vermutet, dass ein Kalkar-Kragen-Kontakt (KKK) ein weiteres Einsinken und Aufsprengen des Femurs durch den keilförmigen Schaft verhindert [2]. Demnach müsste bei KP der kortikale Knochen unter Last eine stärkere axiale Stauchung [3] und geringere tangentiale Streckung erfahren. Ziel war es festzustellen, ob KP den Kraftfluss im Femur verändern und dieser deswegen höheren Frakturlasten widerstehen kann. Die Implantate wurden quasistatisch in 14 porzine Femora implantiert (Corail Standard vs. Kragen, DePuy Synthes, GB) und bis zum Versagen (optisch sichtbare PPF) bzw. bis zum Auslenken des Kraftapplikationspunktes um 40 mm belastet (0,25 mm/s, Z010, Zwick Roell, DE). Gleichzeitig wurde mit digitaler Bildkorrelation (25 fps, Aramis 3D, MV 100; Carl Zeiss GOM Metropology GmbH, DE) die mittlere Dehnung des anteriomedialen kortikalen Knochens bestimmt und die maximalen Streckungen und Stauchungen (Hauptdehnungen) identifiziert [4]. KP frakturieren bei einer um 131% höheren Kraft (p=0,001) wobei sich die max. Streckungen bei der Fraktur zwischen den Prothesenarten nicht unterscheiden (p=0,456; Abb.1). Die max. Stauchung des Knochens bei KP ist um 1045% höher (p=0,007). KP zeigen unterschiedliches Frakturverhalten abhängig von der Kontaktsituation zwischen Kragen und Knochen (Abb.2). Die Studie zeigt einen veränderten Kraftfluss durch den KKK, da höhere Kräfte über den Kragen den Knochen stauchen, bis eine Streckung zur Fraktur ("Aufsprengen") führt. SP erreichen durch das Einsinken der Prothese die kritische Streckung schon bei niedrigeren Kräften. Der Kragen verringert das Risiko von PPF durch das Verhindern des Einsinkens der Prothese. Dank an DePuy Synthes für die Prothesen [1]Konow et al.,BJJ:103-B,2021 [2]AOANJRR Report,2023 [3]Torre et al.,AAHKS:2023 [4]Hoffmann, Hottinger:1987

Gelenkersatz

The biomechancis of shoulders with rotator cuff tears are influenced by the critical shoulder angle: an in situ simulator study

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Introduction Glenohumeral (GH) biomechanics after rotator cuff (RC) tears are not fully understood. The critical shoulder angle (CSA) is related to RC tear risk1, but its impact on shoulder biomechanics (GH translation, center of force (CoF), muscle and joint reaction force (JRF)) in RC-tear and weight-bearing shoulders is unclear. Here, we investigate the effect of the CSA on joint biomechanics. Methods A GH simulator (Fig.1) with muscle-mimicking cables2 was used to simulate motion of 0–30° scaption. An artificial humerus and five sets of scapular anthropometries of cadaver specimens were used to test the effect of six RC tear types, weight-bearing loads (0–2kg), and CSA by changing the deltoid origin sites of each anthropometric set (CSA range: 28°–45°). Linear mixed-effects models (CSA, RC tear type, and weight bearing) with random effects were used to assess differences in GH biomechanics. Results GH translation increased by 0.1mm per 1° CSA increase; JRF decreased by 2.1N per 1° CSA increase, and CoF shifted slightly inferiorly with CSA increase (Fig.2). Compared to the healthy condition, RC tears did not significantly affect GH translations but shifted the CoF up to 5.3mm more superiorly and increased RC and deltoid forces by up to 61.6N. Weight bearing significantly increased GH translation by 0.9mm per 1kg additional weight. Discussion Greater CSAs increased GH translation and decreased JRF, potentially making RC-tear shoulders more susceptible to subluxation. Surprisingly, RC tears themselves were not linked to greater GH translation, probably because of the compensation by the remaining synergistic muscles (greater force) to maintain translations comparable to the healthy condition. The superior shift of the CoF concords with areas of glenoid erosion (superior) in RC arthropathy patients.3 Funding; SNF 189082 1Moor et al., J Bone Joint Surg Am, 2013 2Genter et al., at-automatiserungstechnik, 2023 3Ozel et al., BMC Musculoskelet. Disord., 2020

Session 11
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