Simulation von Umstellungsosteotomien an 3D-Finite Elemente Modellen des humanen Femurs

Diese Arbeit befaßt sich mit einer neuen Methode zur automatischen Erstellung von 3D-FE Modellen und deren Verwendung in einer voll parametrisierbaren und automatisierbaren Simulation von intertrochantären Umstellungsosteotomien. Die Methode der FE-Modellierung zeichnet sich dadurch aus, daß sie ein Hybridmodell erzeugt, das zum einen Teil aus einem individuellen, anhand von CT-Daten erstellten, Femurschaft und Schenkelhals (Voxelanteil) besteht, zum anderen Teil aus einem mit Hilfe des "Solid-Modelling" generierten, voll parametrisierbaren, Femurkopf mit Knorpelkappe und Kortikalisschicht (Tetraederanteil). Dieses Hybridmodell verbindet dadurch die Vorteile beider Modellierungstechniken, nämlich einfache Modellerstellung, Berücksichtigung individueller Patientendaten, glatte Kontakt- beziehungsweise Einleitungsflächen und hohe Elementenzahlen nur in den für die Auswertung interessanten Regionen. Die ersten Versuche einer Umstellungsosteotomie an einem Voxelmodell zeigten, daß die Technik funktionierte, aber die Auswertung durch Artefaktbildung nicht verwertbar war. Die in einem nächsten Schritt durchgeführten Vergleichsstudien mit einem nur auf Quaderelementen basierenden Voxelmodell und fünf verschieden konfigurierten Tetraedermodellen des Femurkopfes zeigten die große Bedeutung der Kortikalisschicht und der Knorpelkappe sowie deren Geometrie. Da es auf eine möglichst realitätsnahe Modellierung eben dieser drei Punkte ankommt, entfällt der weitere Einsatz der Modelle ohne die auslaufende Knorpelkappe und Kortikalisschicht. Die Verwendung des reinen Voxelmodelles entfällt alleine schon durch den notwendigen Mehraufwand bei der Modellerstellung, um ein Modell gleicher Qualität und Komplexität zu generieren. In den daraufhin durchgeführten Parameterstudien einer intertrochantären Umstellungsosteotomie zeigt sich die Verbindung des Osteotomiewinkel mit dem CE-Winkel als der wichtigste Faktor für die Belastung des Gelenkknorpels. Unter physiologischen Bedingungen, das heißt bei einem normalen CE-Winkel, ändert sich an den auftretenden Spannungen nur wenig, bei einer Hüftdysplasie (CE-Winkel=-15°) hingegen ist es möglich, durch eine varisierende 20° Osteotomie die maximal auftretende von-Mises-Vergleichsspannung am Knorpel von 25 MPa auf 11 MPa zu senken. Veränderungen der Parameter für die Osteotomiehöhe und den lateralen Versatz des proximalen Fragmentes zeigen dagegen nur einen minimalen Effekt auf die auftretenden Spannungen. Den größten Einfluß als alleiniger Faktor hat jedoch der CE-Winkel, der sich mit der hier simulierten Operation einer Umstellungsosteotomie des proximalen Femurs nicht beeinflussen läßt. Eine Weiterverwendung der bei dieser Arbeit entstandenen Werkzeuge an anderen Knochen des menschlichen Körpers ist ohne große Anpassungen möglich. Eine Weiterentwicklung zum Einsatz der Hybridtechnik bei der proximalen Tibiakopfumstellung ist bereits in Arbeit. Vor einem Praxiseinsatz der hier vorgestellten Methode steht noch die Notwendigkeit von größeren Studien mit dem Ziel, die Ergebnisse zu validieren, die Interpretierbarkeit zu verbessern und die Notwendigkeit der Individualisierung der einzelnen Parameter zu überprüfen

Femorale Umbauprozesse nach totaler Hüftendoprothese Finite-Elemente-Analyse 12 Jahre nach Operation

Periprothetisches stress shielding nach totaler zementierter Hüftendoprothese (TEP) ist ein durchaus bekanntes Phänomen. Viele Autoren haben die Finite-Elemente (FE) Methode genutzt, um diese Effekte an tierischen oder menschlichen Oberschenkelknochen darzustellen. Der erste Teil dieser Studie basiert auf 11 patientenspezifischen retrospektiven in vivo CT-Datensätzen 12 Jahre nach TEP-Implantaion. Um die Kontrollgruppe zur Verfügung zu stellen, wurde auf der kontralateralen, nicht operierten Seite ein im Computer generierter Prothesenschaft in das entsprehende Femur virtuell implantiert. Im Vergleich zur nicht operierten Seite fand sich eine signifikante Reduktion der strain energy density (SED) in allen ROIs, wobei der größte Effekt im distalen Prothesenschaftbereich auftrat. Alleinig in Zone 1 wurde kein klarer Trend verzeichnet, was auf die Krafteinleitung am Trochanter major und konsekutiven Spannungsspitzen zuruckgeführt werden kann. Die medianen SED-Änderungen lagen bei -31.65% (ROI 1), -25.64% (ROI 2), -30.82% (ROI 3), -12.35% (ROI 4), -40.10% (ROI 5), -30.37% (ROI 6), -43.38% (ROI 7). Der zweite Teil dieser Studie war eine prospektive Untersuchung in Bezug auf 3D-Knochendichtemessung 5 Jahre nach totaler zementierter Hüftendoprothese als unilateraler Follow-Up via CT-Daten bei 6 Studienteilnehmerinnen. In Bezug auf die postoperative Messung ergaben sich signifikante Dichtereduktionen in ROI 2 (p=0.014), ROI 3 (p=0.023), ROI 4 (p=0.023), ROI 5 (p=0.014) and ROI 6 (p=0.014). Der größte Dichteverlust wurde in ROI 2 (median: 125.5 HU) und 3 (median: 116.7 HU) beobachtet

Pilotstudie zur Messung der mechanischen Berührungs-,Druckschmerz- und Vibrationsempfindungsschwellebei Therapie der Gonarthrose mit Hirudo medicinalis

Hintergrund: Die klinische Wirksamkeit der Blutegeltherapie zur Behandlung der Gonarthrose konnte in mehreren Studien belegt werden. Allerdings sind die speziellen Wirkmechanismen, über welche die Wirksamkeit dieser Behandlung vermittelt wird, unklar. Ziel dieser Arbeit ist es daher zu untersuchen, ob die Messung des Schmerz-, Vibrations-, und Berührungsempfindens unter einer Blutegeltherapie dazu geeignet ist, um den Wirkungsmechanismus näher untersuchen zu können. Dabei sei der Pilotcharakter mit dem Ziel der Hypothesengenerierung sowie der Effektstärkeabschätzung im Hinblick auf eine mögliche randomisierte-kontrollierte Studie hervor gehoben. Methoden: Da es sich um ein Pilotprojekt handelte, in dem erste Daten zum Thema generiert werden sollten, fand keine Einteilung in Therapie-und Kontrollgruppe und damit keine Randomisierung statt. So wurden 42 Patienten mit einer bilateralen Gonarthrose in die Studie aufgenommen und am stärker schmerzenden Knie behandelt. Als Messgrößen wurden die Veränderungen der mechanischen Berührungsschwelle (Mechanical Detection Threshold, MDT), der Vibrationsempfindungsschwelle (Vibration Detection Threshold, VDT) und der Druckschmerzschwelle (Pressure Pain Threshold, PPT) definiert. Diese Methoden sind Subtests, die der QST-Testbatterie (Quantitative sensory testing) entnommen wurden. Alle Subtests wurden an definierten Punkten an beiden Knien sowie an den Händen als Kontrollareale durchgeführt. Darüber hinaus wurde die Veränderung des Western Ontario and McMaster Universities Osteoarthritis Index (WOMAC) und einer visuellen Analogskala (VAS) zur Aufzeichnung des Schmerzes erfasst. Sämtliche Daten wurden am Tag 0 vor der Blutegeltherapie und am Tag 7 danach erhoben. Ausgehend von den Ergebnissen der QST-Subtests wurde zusätzlich eine Fallzahlberechnung durchgeführt. Ergebnisse: An der weniger betroffenen Seite nahm die Berührungsschwelle nach der Therapie ab, eine Signifikanz hierfür zeigte sich nicht. Die MDT-Werte der stärker betroffenen Seite nahmen im Seitenvergleich stärker ab. Oberhalb der Kniescheibe war dies statistisch jedoch nicht signifikant. Über dem Schmerzmaximum war diese Abnahme signifikant (p=0.008). Um in einem nachfolgenden RCT einen standardisierten Unterschied mit einer statistischen Power von β=80% nachzuweisen werden 170 Probanden benötigt. Bei einer Power von 90% werden 228 Patienten benötigt. Die Vibrationsempfindungsschwelle nahm an sämtlichen Testarealen bis auf das behandelte Knie signifikant zu (p<0.05). Bei der Schmerzschwelle war eine Verminderung an fast allen Testarealen festzustellen, wobei allerdings das Signifikanzniveau- bis auf eine Ausnahme- in keinem Fall erreicht wurde. Der WOMAC Index (Globalindex, Schmerz, Alltagsaktivität) und die VAS zeigten eine signifikante Verbesserung (p<0.001). Diskussion: Kausale Rückschlüsse ob eine Blutegeltherapie zu einer Verbesserung der somatosensorischen Funktion führt, können aufgrund des Pilotcharakters dieser Studie nicht getroffen werden. Es ergeben sich jedoch sowohl im Hinblick auf die Durchführbarkeit, die Methodik, als auch die Ergebnisse mit entsprechender Fallzahlschätzung wesentliche Erkenntnisse zu Planung einer nachfolgenden randomisiert-kontrollierten Studie