by G. H. | Sep 12, 2018 | News, Schulter
Der zementfreie Oberflächenersatz der Schulter induziert ein knöchernes Stress-Shielding: Eine humane Explantate- und Finite-Elemente-Analyse
Schmidutz F, Agarwal Y, Sprecher C, Müller PE, Richards G, Gueorguiev B
Fragestellung: Der zementfreie Oberflächenersatz der Schulter (CSRA) dient der anatomischen Gelenksrekonstruktion mit nur minimalem Knochensubstanzverlust. Aufgrund der röntgendichten Implantate liegen jedoch nur wenige Daten über die knöcherne Integration und die unter dem Implantat entstehenden Knochenumbauprozesse vor, weshalb diese untersucht wurden.
Methodik: Die Lastübertragung und das Stress-Shielding von zwei unterschiedlichen CSRA Designs, Epoca RH (kronenförmige Stem-Fixierung) und Copeland (zapfenförmige Stem-Fixierung) wurden anhand einer 3-dimensionalen Finite-Elemente-Analyse (FEA) evaluiert. Hierzu wurden die Implantate virtuell in jeweils einem normalen und osteoporotischen Knochen implantiert und dabei die Veränderungen der Lastübertragung in 8 Regionen unter dem Implantat bestimmt. Anschließend wurden die in der FEA virtuell ermittelten Knochenumbauprozessen mit den Ergebnissen von humanen CSRA Explantaten (n=8) und nativen Humerusköpfen anhand von Kontaktradiographien aus dem Implantat- und Kopfzentrum verglichen.
Ergebnisse und Schlussfolgerung: Die FEA zeigte für beide CSRA Designs eine vermehrte Krafteinleitung im Bereich der Stems und am äußeren Implantaterand, was auf eine erhöhte Knochenapposition in diesen Bereichen hinweist. Hingegen wurde eine deutliche Reduktion der Krafteinleitung (Epoca 50-85% und Copeland 31-93%) für die zentralen Knochenlagerregionen direkt unter dem Implantat ermittelt, was auf einen deutlichen Knochenabbau hinweist (Abbildung 1 [Abb. 1]).
Relativ hohe und inhomogene Stressspitzen wurden insbesondere im osteoporotischen Knochenmodel sowie am distalen Stem der Copeland Prothese beobachtet.
Die Analyse der humanen CSRA bestätigte die FE Analysen. Die Explantate wiesen vermehrt Knochensubstanz im Bereich der Stems und dem äußeren Implantaterand auf, wohingegen sich eine deutlich reduzierte Knochensubstanz im Bereich des zentralen Implantatelagers fand.
Zusammenfassend weisen beide CSRA Designs klare Stress-Shielding Zeichen in der FEA und den humanen Explantate auf. Das Stress-Shielding führt zu einer Lastübertragung an den Stems sowie dem Implantaterand und führt zu einem Abbau des zentralen Knochenlagers. Ob und wie sich diese knöchernen Umbauprozesse auf die klinischen Ergebnisse und Standzeiten auswirkt ist unklar und bedarf weiterer Untersuchungen.
Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2014). Berlin, 28.-31.10.2014. Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House; 2014. DocWI60-973
doi: 10.3205/14dkou443, urn:nbn:de:0183-14dkou4431
Published: October 13, 2014
© 2014 Schmidutz et al.
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by G. H. | Sep 12, 2018 | Hüfte + Endoprothetik, Knie + Endoprothetik, News
Reduziert die medial kurvierte Form der Nanos® Kurzschaft Prothese das „stress shielding“? Eine Analyse der Knochenumbauprozesse basierend auf einem in-vivo validierten Finite Element Modell
Lerch M, Windhagen H, Ettinger M, Thorey F, Kurtz A, Bouguecha A, Almohallami A, Stukenborg-Colsman C
Fragestellung: Das Design des Nanos® Kurzschaftes (Smith & Nephew) wurde anhand einer Durchschnittsgeometrie der lateralen und medialen Kortikalis von 565 Computertomographien von physiologischen proximalen Femura erstellt. Ziel ist eine physiologische Lasteinleitung über eine gute Anpassung an die mediale Kortikalis des Calcars. Trotz ermutigender Mittel- und Langzeitergebnisse ist unklar wie dieses spezifische Design auf den Verlauf der periprothetischen Knochendichte (BMD) wirkt. Ziel der Studie war die Simulation dieser Veränderungen mit Hilfe eines in-vivo validierten Finite Element Modells. Da die mediale Geometrie des Implantats theoretisch der Krümmung des medialen Clacars entspricht, wird die Hypothese aufgestellt, dass eine proximale und physiologische Lasteinleitung zu einem sehr guten bis überdurchschnittlichen Ergebnis in der numerischen Simulation führt.
Methodik: Wir haben erstmalig ein durch uns erstelltes und per prospektiver DEXA Studie erfolgreich validiertes numerisches Modell für Knochenumbauprozesse nach Kurzschaftprothesenimplantation auf die Nanos® Prothese übertragen. Das Modell basiert auf mechanischen Einflussgrößen und berücksichtigt den gesamten Gangzyklus. Simulierte Veränderungen der periprothetischen Knochendichte können sowohl qualitativ als auch quantitativ erfasst werden. Es wurden die Randbedingungen von Speirs et al. sowie ein erweitertes Knochenwachstumsgesetz von Huiskes et al. angewendet.
Ergebnisse und Schlussfolgerung: Ein Knochenmasseverlust von 2,3% des Femurs wurde nach erreichen der Konvergenzkriterien mit 63 Recheninkrementen berrechnet. Es zeigte sich ein starker Masseverlust im proximalen Calcar und ein leichter Anstieg am lateralen kortikalen Ring des Calcars, distal des Trochanter Minor und im lateralen, distalen Bereich des Schaftes.
Entgegen der eingangs formulierten Hypothese zeigt die durchgeführte Studie eine Verklemmung des Schaftes im Bereich der distalen Verjüngung, die dort zu einer Lasteinleitung führt.
Das spezifische Design hat folglich keinen überdurchschnittlich positiven Effekt auf den Knochenumbau in unseren Berechnungen gezeigt. Trotzdem wurde ein sehr geringer Knochenverlust des gesamten Femur nach Implantation des untersuchten Kurzschaftes simuliert. In Zukunft könnten numerische Simulationen vor der klinischen Einführung neuer Implantate deren Effekte voraussagen und damit die Patientensicherheit verbessern.
Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2014). Berlin, 28.-31.10.2014. Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House; 2014. DocWI60-236
doi: 10.3205/14dkou442, urn:nbn:de:0183-14dkou4428
Published: October 13, 2014
© 2014 Lerch et al.
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by G. H. | Sep 3, 2018 | Knie + Endoprothetik, News
Finite element simulation of locking compression plates for femur fracture treatment under different boundary conditions
Jalali J, König B, Wittkowske C, Nolte A, Eder M, Raith S, Volf A, Kovacs L
Objective: The incidence of femoral shaft fractures is reported as being 1 per 10,000 people. This rate increases to 3 per 10,000 people in male individuals younger than 25 years and elderly patients, above the age of 65 years. The locking compression plate (LCP) is a common tool in the treatment of femoral shaft fractures. In osteoporotic patients, stable fixation of the plate can be a challenge since the bone often lacks the desired stability. This may lead to a high complication rate due to the loosening of screws or breakage of the implant.
Method: Finite element simulation is a powerful method to predict the effects of varying parameters which cannot be easily varied in a laboratory environment. In this project, which is funded by BMWi, an automated workflow was developed to support surgeons in their decision of the appropriate implant dimensions and where to place the screws in order to achieve an optimal fracture healing and to prevent implant failure after a femoral shaft fracture. This workflow has been used for the simulation of a non-osteoporotic 22-year old female and a 68-year old male with osteoporotic bone. A virtual transverse femoral shaft fracture with a gap of 3 mm was created using the software Blender (Blender Foundation). The exact geometry of a distal femur LCP was provided by Synthes (Synthes GmbH) as triangulated surface data.
CT data were imported into the software Mimics (Materialise) and used for patient specific modeling of the inhomogeneous material properties of bone. Hounsfield Units (HU) were exported and assigned to elements of a finite element mesh. HU of bone were correlated with mechanical properties such as the Young’s modulus. A linear finite element analysis was performed with ANSYS Classic (Ansys Inc.).
Results and conclusion: The boundary conditions are one of the most important parameters influencing the outcome a of finite element simulation. Three different loading situations which all model the physiological loading following surgery were compared.
- Force application from distal
- Force application from proximal
- Forces derived from a muscoskeletal model using the software AnyBody (AnyBody Technology A/S)
With this workflow monocortical and bicortical screw fixations were compared in variable positions to determine biomechanical effects. The optimal screws position in terms of interfragmentary movement was validated among different variations.
This workflow has also the potential to be used in other anatomical regions.
Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2014). Berlin, 28.-31.10.2014. Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House; 2014. DocWI60-1328
doi: 10.3205/14dkou441 , urn:nbn:de:0183-14dkou4411
Published: October 13, 2014
© 2014 Jalali et al.
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by G. H. | Sep 3, 2018 | News, Rheumatologie + Osteoporose
Die Implementierung von Bewegungsanalysen in Finite Element Simulationen einwirkender Muskelkräfte zur Berücksichtigung zu erwartender Alltags- und Extrembelastungen für die patientenspezifische Osteosynthesesimulation älterer Patienten
Ihle C, Döbele S, Schäffler A, Hein T, Nolte A, Stöckle U, Kovacs L, König B
Fragestellung: In Deutschland wurden 2010 ca.380000 Frakturen osteosynthetisch versorgt. Osteosynthesen können versagen, wenn die patientenspezifische biomechanische Knochenfestigkeit sowie zu erwartende externe Belastungssituationen (Muskelaktivitäten bei Alltags- und Extrembewegungen) nicht berücksichtigt werden. Die Therapie insbesondere älterer Patienten muss auf eine patientenspezifische Osteosynthese zur zügigen Mobilisation und geringeren Komplikationsraten hinwirken.
Vor diesem Hintergrund soll in diesem BMWi geförderten ZIM Projekt ein Verfahren für die patientenspezifische Frakturversorgung insbesondere der alternden Gesellschaft entwickelt werden. Um realitätsnahe Simulationsergebnisse der Frakturversorgung zu erhalten ist es wichtig, die virtuelle Osteosynthese unterschiedlichen Belastungszuständen, welche auch unter alltäglichen Bedingungen zu erwarten sind, auszusetzen. Eine Frage ist, ob eine virtuelle biomechanische Belastungsanalyse unter Implementierung zu erwartender Muskel- und Gelenkreaktionskräfte möglich ist?
Methodik: Bewegungen, welche eine maximale Belastung auf die einzelnen anatomischen Abschnitte des Körpers generieren wurden am Beispiel des Femurs definiert. Gang- und Bewegungsanalysen am männlichen gesunden Probanden wurden durchgeführt. Die dreidimensionalen Bewegungsdaten wurden durch ein optisches Messsystem (Vicon, USA) mit Markern an Becken, Ober-, Unterschenkel und Fuß erfasst. Simultan wurde die Belastung in Richtung und Quantität über eine Kraftmessplatte (Kistler Instrumente AG, CH) aufgezeichnet. Im C3D-Format wurden diese Kraft- und Bewegungsverläufe in das CAE-Programm AnyBody (AnyBody Technology A/S, DK) übertragen. Eine Möglichkeit der Datenübertragung in die Finite Elemente (FE) Software ANSYS (Firma ANSYS Inc., USA) wurde geschaffen.
Ergebnisse: Hinsetzen, Gehen, schnelles Gehen und Drehbewegungen der unteren Extremität wurden als zu analysierende Bewegungen definiert und aufgezeichnet. Beim Hinsetzen aus der Drehung zeigten sich überlagerte Torsions- und Biegebelastungen des Femurs. Mit AnyBody werden auf Basis der inversen Dynamik, externer Kräfte sowie Bewegungen die Muskel- und Gelenkreaktionskräfte berechnet. Diese Größen können an die FE Software ANSYS als APDL-Skript als Rahmenbedingungen übergeben werden.
Schlussfolgerung: Eine virtuelle biomechanische und patientenspezifische Belastungsanalyse unter Berücksichtigung zu erwartender externer Belastungssituationen ist möglich. Mit AnyBody können realitätsnahe Belastungen ermittelt und diese mit ANSYS über ein FE-Modell abgebildet werden. Anhand der Implementierung zu erwartender Belastungen können Implantate auf ihre erwartete Beanspruchung hin überprüft und ggf. patientenspezifisch optimiert werden. Das ist die Basis durch patientenspezifische FE-Optimierungen in automatischen Berechnungsalgorithmen verschiedene Osteosynthesen virtuell zu optimieren. Dieses Modell wird auf weitere anatomische Bereiche übertragen.
Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2014). Berlin, 28.-31.10.2014. Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House; 2014. DocWI60-306
doi: 10.3205/14dkou440 , urn:nbn:de:0183-14dkou4402
Published: October 13, 2014
© 2014 Ihle et al.
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by G. H. | Sep 3, 2018 | Knie + Endoprothetik, News
Ein dynamisches Finite Elemente Modell zur Untersuchung des hinteren Kreuzbandreleases nach Versorgung mit einer Knietotalendoprothese
Steinbrück A, Woiczinski M, Schröder C, Weber P, Müller PE, Jansson V
Fragestellung: Eine ausgeglichene Weichteil-Balancierung in Flexion und Extension ist für ein gutes postoperatives Ergebnis nach Knietotalendoprothese (KTEP) essentiell. Es besteht noch keine Einigkeit welchen Einfluss das erhaltene hintere Kreuzband (HKB) nach Prothesenersatz auf die Kinematik und auf die mechanischen Belastungen des Kniegelenkes hat. Ziel dieser Studie war es ein dynamisches Finite Elemente Modell eines prothesenversorgten Kniegelenkes zu erstellen und hierbei den Einfluss eines Release des HKB auf die mechanische Belastung des Protheseninlay, die Kniegelenkskinematik und retropatellare Druckveränderungen zu untersuchen.
Methodik: Mit einer Software (Amira) wurde ein 3D Modell eines Ganzbeines erzeugt, in die Finite Elemente Software (Ansys) importiert und mit einer KTEP (Columbus CR, Aesculap) virtuell implantiert. Die wichtigsten Band-, sowie Muskelstrukturen wurden mit modifizierten Federelementen umgesetzt. Die Erstellung der Randbedingungen des Computermodells erfolgte auf Basis eines bestehenden Kniegelenkskinemators, welcher eine Kniebeuge in sechs Freiheitsgraden simuliert. Durch eine Änderung der Quadrizepskraft in allen Flexionswinkel hält das dynamische Finite Elemente Modell eine Bodenreaktionskraft von 50 N konstant. Anschließend erfolgte an dem bestehenden Modell ein simuliertes Release des HKBs durch Steifigkeitsverminderung von 50% und 75%.
Ergebnisse und Schlussfolgerung: Das simulierte Release des HKBs von 50% und 75% der Ausgangssteifigkeit führte zu einer deutlichen Druckentlastung im Inlay. Dies wird speziell bei höheren Flexionsgraden ab 70 Grad sichtbar, wobei die Vergleichsspannung von Mises bei einem Flexionsgrad von 73° von 11,1MPa auf 7,8MPa bei 75% Release des HKBs abfällt (bei 50%: 8,9MPa).
Die Kinematikanalyse zeigte vor Release bis 35° Flexion eine posteriore Bewegung der Tibia gegenüber des Femurs von 2,1mm und anschließend bis 73° eine anteriore Bewegung von insgesamt 5,8mm. Nach 75% Release des HKBs stieg die posteriore Bewegung bis 35° Flexion auf 2,5 mm (bei 50%: 2,3 mm). Anschließend sank bis 73° die anteriore Gesamtbewegung auf 3,7 mm (bei 50%: 4,9 mm).
Die maximale äquivalente retropatellare Druckspannung von Mises betrug bei jedem Modell 0,53 MPa zu Beginn der Simulation und stieg auf 1,7 MPa bei 73° Flexion an. Durch ein HKB Release zeigten sich keine Veränderungen der retropatellaren Druckspannung.
Ligament balancing Techniken sind in vivo und auch bei Präparate-Studien extrem schwierig zu simulieren. Diese Studie zeigt, dass es möglich ist ein dynamisches Finite Elemente Modell zu erstellen, welches eine Kniebeuge simulieren kann. Die Spannung des HKBs nach Knietotalendoprothese, bei der Kniebeuge, hatte sowohl einen Einfluss auf die Kinematik des Kniegelenkes, als auch auf die Belastung im Inlay. Retropatellar zeigten sich in diesem Computermodell hingegen keine Veränderungen nach Release des HKBs.
Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2014). Berlin, 28.-31.10.2014. Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House; 2014. DocWI60-421
doi: 10.3205/14dkou439 , urn:nbn:de:0183-14dkou4397
Published: October 13, 2014
© 2014 Steinbrück et al.
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