Entwicklung von Bildverarbeitungsmethoden zur quantitativen Analyse der Biomechanik des Kniegelenks auf der Basis magnetresonanztomographischer Daten

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung von dreidimensionalen Bildverarbeitungsmethoden zur in-vivo-Analyse der Biomechanik des Kniegelenks auf der Basis magnetresonanztomographischer Bilddaten. Die Verwendung eines offenen Magnetresonanztomographen ermöglicht die Generierung von Bilddatensätzen des Kniegelenks sowohl in unterschiedlichen Flexionsstellungen als auch bei gleichzeitiger Aktivierung der Beinmuskulatur. Nach Segmentierung und dreidimensionaler Rekonstruktion von Femur, Tibia und Patella können durch Einführung eines Tibiaplateau-basierten Koordinatensystems und die Berechnung einer epikondylären Achse für das Femur femoro-tibiale Translation und Rotation analysiert werden. Ein Patella-basiertes Koordinatensystem und femorale Referenzpunkte ermöglichen eine Analyse der Patellakinematik. Zudem können mittels Triangulierung segmentierter Kontaktstrecken die Größen der femoro-tibialen und femoro-patellaren Knorpelkontaktflächen bestimmt werden. Nach einer Studie zur Intra-Untersucher-Reproduzierbarkeit wird die Biomechanik im Kniegelenk in einer klinischen Studie untersucht. Verglichen werden die femoro-tibialen Translations- und Rotationsmuster, die Patellakinematik und die Größen der femoro-tibialen und femoro-patellaren Knorpelkontaktflächen einer gesunden Probanden-Gruppe, mit den Ergebnissen einer Gruppe von Patienten mit schwerer Gonarthrose. Die entwickelten Methoden erwiesen sich als sehr reproduzierbar und genau. Es konnte gezeigt werden, dass Dorsaltranslation und Außenrotation des Femur bei Knieflexion von 0° auf 90° bei schwerer Gonarthrose deutlich verringert sind. Zusätzlich kommt es bei den Arthrose-Patienten während der Knieflexion zu einer Zunahme des Patella-Tilt und des Patella-Shift nach lateral. Die Analyse der Kontaktflächen zeigte, dass es bei schwerer Gonarthrose zu einer ausgeprägten Vergrößerung der femoro-tibialen und femoro-patellaren Knorpelkontaktflächen kommt. Die entwickelten Methoden können damit zum Verständnis von Entwicklung und Verlauf von Kniegelenkserkrankungen wie der Gonarthrose beitragen

Erhalt des vorderen Kreuzbandes in der Knieendoprothetik : Probleme und Möglichkeiten am Beispiel des Transversalträger-Tibiaplateaus (TTTP)

Zusammenfassung: Anhand der in dieser Arbeit durchgeführten Studien konnten wichtige Erkenntnisse zum Erhalt des vorderen Kreuzbandes in der Knieendoprothetik gewonnen werden. Hierzu zählen zunächst die Analysen hinsichtlich des Ligament-Balancings an normalen Kniegelenken unter Verwendung eines neu entwickelten kraftbegrenzten Ligament-Balancers, welcher die Gap-Messungen ohne vorherige Knochenresektionen erlaubt. Die Ergebnisse dieser Versuche (Kapitel 1 und 2) sind darüber hinaus nicht nur für die konkrete Fragestellung wesentlich, sondern auch für die aktuellen konventionellen Operationstechniken grundlegend. Es konnten insbesondere die Thesen verifiziert werden, dass die Resektion von hinterem und/oder vorderem Kreuzband zu unterschiedlichen Gap-Änderungen führt und dass durch Aufspannen physiologischer Kniegelenke unter operationsähnlichen Bedingungen ungleiche Extensions- und Flexions-Gaps resultieren. Mit Hilfe von Belastungsversuchen (Kapitel 3) wurden die Thesen zur Primärstabilität bestätigt. Durch das neue TTTP-Prinzip konnte im Vergleich zur Implantation zweier unikondylärer Prothesen eine bessere Primärstabilität erreicht werden. Im Vergleich zu herkömmlichen Prothesen wurde ein ähnliches Niveau erzielt. Des Weiteren konnten wichtige Detailfragen zur Designentwicklung des Transversalträger-Tibiaplateaus beantwortet werden. Sowohl die anatomischen Untersuchungen an Präparaten (Kapitel 4) als auch die Analyse der Implantatlage mit Hilfe CT-basierter Koordinatenmesstechnik (Kapitel 5) führten zur grundlegenden Feststellung, dass eine eher proximale Lage das Transversalträgers mit entsprechend kürzer ausgebildeten Gelenkflächenträgern günstig erscheint. ---------- Abstract: The studies included in this work offer important findings regarding retention of the anterior cruciate ligament (ACL) during knee endoprosthesis. To begin, there is analysis regarding ligament balancing in normal joints using a recently developed force-determining ligament balancer that allows joint gap measurements without prior bone resection. The results of these studies (chapters 1 and 2) are relevant not only for the actual questions addressed, but also fundamental to current conventional operative techniques. In particular, this research verified the hypotheses that resections of the posterior and/or anterior cruciate ligaments lead to variable gap changes, and that knee mounting, such as that carried out during surgery, in a physiologically normal joint results in unequal flexion and extension gaps. Using loading trials (chapter 3), the theses regarding primary stability were confirmed. Better primary stability was obtained with the TSTP model than with implantation of two unicondylar prostheses. In comparison to conventional prostheses, a similar level was achieved. In addition, important details regarding development of the TSTP design were clarified. Both the anatomic investigations on specimens (chapter 4) and the analysis of implant position using CT-based coordination measurement techniques (chapter 5) led to fundamental conclusions that a relatively proximal position of the transversal support and a corresponding simplified, less-modular joint surface support design appear more favorable

Präklinische und klinische Testung einer bikondylären Knieendoprothese mit einer neuartigen keramischen Femurkomponente

Nach Entwicklung einer Knieendoprothese mit keramischer Femurkomponente (Biolox® Delta Keramik) ist das Ziel der vorliegenden Arbeit, die Implantatsicherheit präklinisch und unter Worst-case-Bedingungen mit neu entwickelten Methoden zu testen. Des Weiteren sollen potentielle Vorteile für verlängerte Standzeiten durch die Abriebbeständigkeit von Keramiken auch unter der Anwesenheit von Drittkörpern nachgewiesen werden. Nach klinischer Einführung des Implantates erfolgt eine klinische und radiologische Evaluierung im Rahmen einer Multicenter Studie und einer prospektiven vergleichenden Studie

Entwicklung und histomorphologische Charakterisierung eines metaphysären Frakturheilungsmodells am Großtier

Die Frakturheilung im diaphysären Knochen wird maßgeblich von ihrer biomechanischen Umgebung beeinflusst. Ein Großteil der klinisch auftretenden Frakturen befindet sich jedoch im spongiösen Knochen der Metaphyse. Trotz ihrer vor allem bei Osteoporosepatienten herausragenden Relevanz wurde der metaphysären Frakturheilung bisher nur wenig Interesse geschenkt und ihr Verlauf kaum erforscht. Zudem fehlen Studien, die die biomechanischen Effekte auf die Knochenheilung in diesem Gebiet berücksichtigen. Aus diesem Grund war es das Ziel dieser Arbeit, erstmals ein definiertes und mechanisch charakterisiertes Modell im Großtier zu entwickeln, an welchem der Einfluss von interfragmentärer Bewegung und Dehnung auf die metaphysäre Knochenheilung untersucht werden konnte. Dies wurde unter reproduzierbaren Bedingungen mittels einer gut standardisierten im Verlauf der Studie neuentwickelten Methodik durchgeführt. Dazu wurde eine partielle 3 mm breite Osteotomie in der rechten distalen Femurkondyle von zwölf adulten, weiblichen Schwarzkopfschafen erstellt. Dort übt die Patella bei physiologischer Gliedmaßenbelastung eine Kraft auf die Trochlea aus, die zu einer Durchbiegung des Osteotomiespalts führt. Die daraus resultierende interfragmentäre Dehnung im Spalt beträgt abhängig von Lokalisation und Fixationsmethode bis zu 40 %. Sie wurde durch ein Stahlimplantat mit 3 mm (stabile Fixation) bzw. 2 mm Dicke (flexible Fixation) eingegrenzt. Acht Wochen nach der Operation fand am explantierten Knochen die computertomographische, histomorphologische und biomechanische Auswertung statt. In metaphysären Osteotomieregionen mit sehr kleinen interfragmentären Dehnungen < 6 % bildet sich signifikant weniger geheilter Knochen als bei höheren Gewebedehnungen. Die Knochenheilung läuft verzögert und überwiegend über desmale Ossifikation ab. Für Frakturzonen mit höheren Dehnungen im Bereich zwischen 6 und 20 % stellt sich hingegen eine verbesserte Knochenheilung mit mehr neugebildetem Knochen und sowohl desmaler als auch enchondraler Ossifikation dar. Interfragmentäre Dehnungen über 20 % führen zu keiner weiteren Verbesserung der metaphysären Heilung. In dieser Höhe verursacht IFD stattdessen in einigen Fällen die Entwicklung von fibrösem Gewebe und Faserknorpel im Osteotomiespalt, was zu einer Heilungs-verzögerung des Knochens führen kann. Kein Tier beider Fixationsgruppen zeigt metaphysär eine für diaphysäre Knochenbereiche unter interfragmentärer Bewegung typische externe periostale Kallusbildung. Die Dehnungsbereiche aus welchen eine desmale bzw. enchondrale Ossifikation resultiert, sind in ihrer Größenordnung mit denen der diaphysären Heilung vergleichbar. In der Diaphyse führen interfragmentäre Dehnungen unterhalb von 5 % zu desmaler Ossifikation und Werte zwischen 5 und 15 % zu enchondraler Ossifikation. Interfragmentäre Dehnungen von mehr als 15 % verzögern die Heilung des Knochens oder verhindern diese vollständig. Die Frakturheilung im spongiösen Knochen folgt somit ähnlichen biomechanischen Gesetzmäßigkeiten, wie sie für den kortikalen Knochen beschrieben sind. Damit kann belegt werden, dass auch im metaphysären Knochen Dehnungen unterschiedlicher Größe unterschiedliche Heilungsmuster induzieren. Anhand des entwickelten Großtiermodells besteht nun in Zukunft die Möglichkeit, die Heilung des metaphysären Knochens eingehender zu erforschen. Hierdurch können grundlegende Erkenntnisse und klinisch wichtige Fragestellungen sowie die Frakturheilung im osteoporotischen metaphysären Knochen besser verstanden werden. Dieses Großtiermodell bietet zudem zum ersten Mal die Möglichkeit, den Erfolg verschiedener Therapiemaßnahmen sowie pharmazeutischer Wirkstoffe am metaphysären Knochen unter definierten biomechanischen Bedingungen zu untersuchen und auf die Gegebenheiten im Menschen zu übertragen.It is generally supposed that the pattern of fracture healing in trabecular metaphyseal bone differs from that of diaphyseal fractures. However, even though clinically many fractures occur in metaphyseal bone, to date only few experimental studies have been performed and there is not much knowledge about the bone healing in this region. Particularly, the influence of biomechanical factors has not yet been investigated under standardized conditions. Our aim was to correlate the interfragmentary strain with the bone healing outcome in a controlled metaphyseal fracture model in sheep. Twelve mature sheep received a partial 3 mm osteotomy in the distal femoral condyle close to the trochlea. The determination of the interfragmentary strain by in vivo x-ray analyses and a finite element model revealed that the deflection of the osteotomy gap by the patello-femoral force during walking provoked increasing strains of up to 40 %. This interfragmentary movement in the gap was limited by a steel implant of 3 mm thickness (stable group; n = 6) and 2 mm thickness (flexible group; n = 6) fixed in the proximal region of the osteotomy. Bone healing was evaluated after 8 weeks by the assessment of the bone mineral density, biomechanical indentation testing and by quantitative undecalcified bone histomorphometry in regions of interest that displayed differing magnitudes of interfragmentary strain. In areas with strains below 5 % significantly less bone formation occurred compared to areas with higher strains (6 – 20 %). For strains larger than 20 % fibrocartilage layers were observed. Low interfragmentary strain (< 5 %) led to intramembranous bone formation, whereas higher strains additionally provoked endochondral ossification or fibrocartilage formation. It is therefore proposed that metaphyseal bone healing follows similar biomechanical principles as diaphyseal healing