by G. H. | Aug 28, 2018 | Fuß, Hand, Knie + Endoprothetik, News, Schulter, Wirbelsäule chir.
Wieviel Heilung braucht die Fraktur? Ermittlung der minimalen biomechanisch erforderlichen Fusionsfläche bei Tibiafrakturen in einem individualisierten Finite Elemente Modell
Tjardes T, Roland M, Otchwemah R, Bouillon B, Diebels S
Fragestellung: Die Diagnose ‚konsolidierten Fraktur‘ unterliegt immer noch keinem Konsens und beruht zu relevanten Anteilen auch auf Erfahrungswerten. Da jede Fraktur und jeder Patient eine einzigartige biomechanische Konstellation darstellen muß die Frage gestellt werden, ob jede Fraktur vollständig durchhaut sein muß, um voll belastbar zu sein, oder ob es ein Minimum an Fusionsfläche gefunden werden kann welches hinreichend ist um die auftretenden Belastungen abzutragen.
Methodik:
1. Frakturmodell:
An Sawbone Modellen der Tibia wurden zwei Frakturen von Typ AO 42-B1 und 42-A2 nachgebildet und mit einer winkelstabilen Plattenosteosynthese (Synthes) in typischer Weise versorgt.
2. Generierung des Datensatzes zur Modellentwicklung:
CT der Sawbones (Siemens, Somatom Definition Flash, DICOM Format)
3. Bildsementierungsprozeß (edge preserving regularization processes)
4. Entwicklung des Finite Elemente Modells:
Unter Nutzung des sog. ‚Hanging Node‘ Prinzips wird eine Reduktion des Datenvolumens erreicht
5. Festlegen der mechanischen Rahmenparameter: Stopkriterium des Optimierungsalgorythmus ist das Erreichen von 20% des maximalen von Mises Stresses (max.79,42) in Knochen/Implantat bei Belastungssimulation ohne Frakturheilung (Belastung entsprechend einem 80kg schweren Menschen)
6. Optimierungsalgorhytmus
Ein 16-schrittiger Optimierungsalorhytmus ermittelt die kleinste Fusionsfläche und deren Lokalisation die erforderlich ist um den Belastungsvorgaben (Stopkriterium) zu genügen.
Ergebnisse und Schlussfolgerung: Um eine physiologische Belastbarkeit der Fraktur zu erreichen ist eine deutlich geringere Fusionsfläche erforderlich als die komplette Frakturfläche. Im Abhängigkeit der Wahl der mechanischen Rahmenbedingungen ist eine Fusion auf <10% der Gesamtfrakturfläche hinreichend, um das vorgegeben Belastungsmaximum (20% des bei Belastung ohne Frakturheilung auftretenden von Mises Stresses in Knochen/Implantat)zu gewährleisten. Der entwickelte Workflow (s. Methodik 2.-5.) ist hinsichtlich der erforderlichen Rechenkapazität so strukturiert, daß er auf handelüblichen Desktop PC benutzt werden kann. Damit ergibt sich die Möglichkeit nach entsprechender Validierung die Frakturheilung individualisiert unter biomechanischen Gesichtspunkten zu beurteilen und ggf. eine gezielte Therapie (Spongiosaplastik) ausschließlich in den biomechnisch relevanten Bereichen der Fraktur durchzuführen.
Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2014). Berlin, 28.-31.10.2014. Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House; 2014. DocWI60-442
doi: 10.3205/14dkou438 , urn:nbn:de:0183-14dkou4385
Published: October 13, 2014
© 2014 Tjardes et al.
This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/deed.en). You are free: to Share – to copy, distribute and transmit the work, provided the original author and source are credited.
by G. H. | Aug 28, 2018 | Hüfte + Endoprothetik, News, Rheumatologie + Osteoporose
Patientenspezifische Optimierung von Osteosynthesen unter Berücksichtigung der biomechanischen Knochenstrukturparameter sowie der zu erwartenden Belastungen
König B, Eder M, Bauer JS, Stöckle U, Schimmelpfennig M, Remmele T, Müller C, Kovacs L
Fragestellung: Bei der Planung von Osteosynthesen langer Röhrenknochen beruhen alle bisherigen Methoden auf dem zweidimensionalen Gebrauch herkömmlicher radiologischer Bildgebungsverfahren, welche in ihrer räumlichen Darstellung und Präzision limitiert sind. Spezifische Knocheneigenschaften wie Osteoporose und mobilisationsabhängige Belastungen können nicht einkalkuliert werden. Aktuelle biomechanische Untersuchungen berücksichtigten bis dato überwiegend axiale Belastungen, jedoch nicht Dreh- und Biegebelastungen komplexer Bewegungsabläufe. Im klinischen Alltag führen letztere zu Peri-Implantatbrüchen und Osteosyntheseversagen, die Einschätzung des individuellen Risikos ist schwierig.
Methodik: Im Rahmen des BMWi geförderten Gemeinschaftsprojektes -Verfahren zur patientenspezifischen Frakturversorgung in der alternden Gesellschaft- wird die hier vorgestellte Methode zur patientenspezifischen Osteosynthese-Optimierung unter Berücksichtigung biomechanischer Knochenstrukturparameter und des postoperativen Mobilisationskonzeptes entwickelt.
Verschiedene Frakturtypen werden patientenspezifisch virtuell validiert und die Osteosynthese optimiert, um eine schnelle komplikationslose Genesung kostengünstig und mit bestmöglichem Outcome zu ermöglichen. Dabei spielt entsprechend Frakturtyp und individuellen Patientengegebenheiten die Implantat-Wahl, -Positionierung sowie Art, Anzahl und Position der Schrauben eine entscheidende Rolle.
Ergebnisse und Schlussfolgerung: Der erforderliche Workflow wurde entwickelt. Aus CT Daten werden mit Hilfe der Software Mimics (Materialise) die Knochengeometrie und Frakturdaten sowie ortsaufgelöste inhomogene Knochenstrukturparameter ermittelt. Diese bieten auch die Möglichkeit verschiedene Grade der Osteoporose abbilden zu können. Darauf basierend wird das Knochenmodell parametrisch mittels der Software Blender (Blender Foundation) mit dem Implantat und einer Anordnung von Schrauben in einem Datensatz vereint und anschließend mittels der Software ICEM CFD (ANSYS Inc.) automatisch vernetzt.
Aus Bewegungsanalysen verschiedener Belastungssituationen werden mittels der Software Anybody (AnyBody Technology A/S) realitätsnahe Belastungen patientenspezifisch ermittelt und diese mittels ANSYS Mechanical (ANSYS Inc.) über ein FE-Modell abgebildet. Der gesamte Vorgang wird von der Optimierungssoftware optiSLang (Dynardo GmbH) parametrisch gesteuert, untersucht und iterativ verbessert.
Als Zielgrößen der Optimierung kann die Minimierung der Spannungen in Knochen oder Implantat, sowie eine gewünschte Bewegung im Frakturspalt definiert werden, die nötig ist, um die Knochenneubildung zu stimulieren und die Behandlungszeit zu verkürzen. Ziel ist, schnell die individuelle optimale Osteosynthese planen zu können.
In dieser Präsentation sollen die Ergebnisse zum automatisierten Workflow und die Möglichkeiten der Optimierung bei der Verwendung vieler diskreter Variablen (Schraubenanzahl) präsentiert werden.
Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2014). Berlin, 28.-31.10.2014. Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House; 2014. DocWI60-960
doi: 10.3205/14dkou437 , urn:nbn:de:0183-14dkou4376
Published: October 13, 2014
© 2014 König et al.
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by G. H. | Aug 28, 2018 | Hüfte + Endoprothetik, News, Rheumatologie + Osteoporose
Die klinische Anwendung von numerischen Simulationen bei der Versorgung von Beckenringfrakturen – eine retrospektive Studie
Böhme J, Pieroh P, Nolte A, Josten C
Fragestellung: In vorangegangen Studien konnten wir mit Hilfe der Finite Elemente (FE) Methode Stresszonen und Fragementdislokationen in Modellen von versorgten Beckenringfrakturen aufzeigen. Zusätzlich ist es möglich durch FE Simulationen das post-operative Therapiekonzept durch berechnete Belastungsgrenzen zu bestimmen. Um den prädiktiven Wert von FE Simulationen in der klinischen Anwendung zu testen, untersuchten wir die Ergebnisse der numerischen Simulationen in einer retrospektiven klinischen Studie.
Methodik: Zehn Patientinnen (Durchschnittsalter: 79.9±6.4 Jahre) mit Beckenringfrakturen (OTA Frakturklassifikation: Typ A n=1, Typ B n=5, Typ C n=4) wurden eingeschlossen. Die Frakturen wurden mittels Computer Aided Design (CAD) Freiformflächen in ein bestehendes osteoligamentäres Beckenmodell ohne Fraktur (Mastermodell) eingefügt. So entstanden zehn Frakturmodelle, welche anschließend in ANSYS Workbench 14 (Ansys Inc., Canonsburg PA, USA) simuliert wurden. Jedoch verändern Unterschiede von Beckenparametern die Lastleitung innerhalb des Beckens, weshalb Abweichungen in der numerischen Simulation und dem klinischen Verlauf auftreten können. Aus diesem Grund wurden aus den CT- Daten der Patienten mittels Segmentierung (MIMICS. Materialise N.V., Leuven, Belgium, Version 14) individuelle FE Beckenmodelle erstellt und simuliert. Die Ergebnisse der numerischen Simulation wurden innerhalb der Verfahren und bezüglich ihrer klinischen Aussagekraft verglichen.
Ergebnisse und Schlussfolgerung: Für gering dislozierte Frakturen ergaben sich minimale Unterschiede. Beide Modellarten wiesen eine gute Korrelation mit dem klinischen Verlauf auf. Bei den individuellen Modellen imponierte jedoch der sehr viel höhere Arbeits- und Rechenaufwand.
Bei Frakturen mit mehreren Frakturkomponenten bzw. stark dislozierten Frakturen stieg bei beiden numerischen Verfahren Arbeits- und Rechenaufwand, die Korrelation zum klinischen Verlauf war auch hier stark.
Die FE Methode ist zur Vorhersage von Implantatversagen geeignet und ermöglicht die Auflage von Belastungsgrenzen mit hoher Genauigkeit. Des Weiteren ist es nur bei stark dislozierten Frakturen und Frakturen mit mehreren Komponenten notwendig individuelle FE Modelle zu erstellen, da sie keine Vorteile gegenüber den entsprechenden Mastermodellen zeigten.
Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2014). Berlin, 28.-31.10.2014. Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House; 2014. DocWI60-1338
doi: 10.3205/14dkou436 , urn:nbn:de:0183-14dkou4368
Published: October 13, 2014
© 2014 Böhme et al.
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by G. H. | Aug 20, 2018 | Hüfte + Endoprothetik, Knie + Endoprothetik, News
Testung der Wirksamkeit von antibiotischen Therapien in einem chronischen hämatogenen Staphylococcus aureus Maus-Osteomyelitismodell
Kreis CAA, Tuchscherr L, Hoerr V, Medina E, Peters G, Fuchs T, Raschke MJ, Löffler B
Fragestellung: Staphylokokken gehören zu den am häufigsten isolierten Keimen in der Traumatologie und Orthopädie. Dabei ist Staphylococcus aureus ein pathogener Keim, der sehr häufig eine Osteomyelitis hervorruft und trotz antibiotischer Therapie zur Entwicklung von chronischen Infektionen neigt. Chronische und therapie-refraktäre Knocheninfektionen sind oft mit einem verändeten bakteriellen Phänotyp assoziiert, den sog. small-colony-variants (SCVs), die wahrscheinlich entscheidend zur bakteriellen Resistenzentwicklung beitragen.
Methodik: Die Beurteilung der Wirksamkeit verschiedener antibiotischer Substanzen (Rifampicin, Gentamicin, Cefuroxim) erfolgt in einem experimentellen Maus-Modell, welches bereits von Horst et al. (Am J Pathol., 2012) publiziert wurde und die humane Infektionssituation einer Osteomyelitis sehr nahe wiederspiegelt. Nach intravenöser Applikation einer definierten S. aureus-Dosis erfolgt die Knochenbesiedlung bei dieser Form der Osteomyelitis über die Blutbahn. Die antibiotische, intravenöse Therapie der infizierten Mäuse erfolgt im akuten und im chronischen Stadium der Osteomyelitis mit o.g. antibiotischen Substanzen. Der Entzündungsprozess des Knochens mit der einhergehenden Knochendeformierung wird in jeder Untersuchungsgruppe sowohl vor als auch nach antibiotischer Therapie mittels MRT visualisiert, was die Quantifizierung des inflammatorischen Fokus ermöglicht. Des Weiteren erfolgt im Anschluss die mikrobiologische Analyse durch Ausplattieren von infiziertem Knochenmaterial. Die Wirksamkeit der ausgewählten Antibiotika wurde zuvor in Osteoblasten-Zellkulturmodellen evaluiert.
Ergebnisse und Schlussfolgerung: Es zeigt sich, dass Rifampicin und Cefuroxim die Keimzahl und die Entzündungsreaktion im Knochengewebe in der akuten Infektionsphase reduzieren. Die Aktivität von Gentamicin erwies sich im Vergleich weniger effektiv. In der akuten Infektionsphase zeigt sich, das Gentamicin die SCV-Synthese induziert, was die Entwicklung Therapie-refraktärer Infektionen fördern könnte. In der chronischen Infektionsphase verlieren alle getesteten antibiotischen Substanzen ihre Wirksamkeit. Hier zeigt sich nach Abschluss der Therapie, dass kein Antibiotikum einen reduzierenden Effekt auf die Entzündungsreaktion, die Knochendeformierung oder die Keimzahl aufweist.
In diesem in-vivo Infektionsmodellen zeigt sich, dass Cefuroxim und Rifampicin in der akuten Phase der Infektion wirksam sind. Jedoch verlieren alle getesteten Antibiotika in der chronischen Infektionsphase ihre Wirksamkeit gegen persistierende Keime. Zudem findet durch Gentamicin eine Induktion der SCV-Bildung statt, was die Entstehung von chronischen, Therapie-refraktären Infektionen fördern könnte.
Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2014). Berlin, 28.-31.10.2014. Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House; 2014. DocWI59-791
doi: 10.3205/14dkou435 , urn:nbn:de:0183-14dkou4357
Published: October 13, 2014
© 2014 Kreis et al.
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by G. H. | Aug 20, 2018 | Hüfte + Endoprothetik, Knie + Endoprothetik, News
Der Einfluss von Nanosilberpartikeln (OECD Referenzmaterial NM 300) auf humane Osteoblasten
Schaumburger J, Maderbacher G, Winkler S, Craiovan B, Grässel S, Grifka J, Springorum HR
Fragestellung: Zur Infektionsprophylaxe wird Silber bereits erfolgreich bei Stents, Wundverbänden und beschichteten Endoprothesen eingesetzt. Dabei wurde bisher mikropartikuläres Silber eingesetzt. Eine Erweiterung des Einsatzes auf PMMA-Knochenzement und Polyethylen wird diskutiert. Der Vorteil von nanopartikulärem gegenüber mikropartikulärem Silber besteht in einer deutlich besseren antibakteriellen Wirksamkeit bei geringerer Silber-Gesamtmenge. In der vorliegenden Studie wurden die zytotoxischen Auswirkungen des nanopartikulären Silber (OECD Referenzmaterial NM 300) auf humane Knochenzellen in vitro untersucht.
Methodik: Von 10 Patienten wurden Osteoblasten isoliert und im Monolayer proliferiert. Die Osteoblasten aus Passage 1 wurden in einer Dichte von 3000 Zellen/well in 96 Well-Platten ausgesät und für 48 Stunden mit Nanosilber in den Konzentrationen (0 ppm, 1 ppm, 10 ppm, 100 ppm, 1000 ppm) kultiviert. Anschließend wurden die Proliferation (BrdU) und die Vitalität (WST-1) der Zellen sowie die Zytotoxizität (LDH) der Substanz photometrisch gemessen und der Einfluß auf die Apoptoserate mittels Caspase Essay untersucht.
Ergebnisse: Die 3 Messparameter zeigten, dass es bei einer Konzentration von 1 ppm zu keiner relevanten Veränderung der Vitalität im Vergleich zur Kontrolle (0 ppm) kommt. Bei 10 ppm kam es zu geringer Abnahme der Proliferation bei gleichzeitiger erhöhter Zytotoxizität. Dieser Effekt war bei 100 ppm noch verstärkt. Ab einer Konzentration von 1000 ppm geht die Proliferation und Vitalität signifikant zurück und die Zytotoxizität im LDH-Test steigt signifikant an. Für die Apoptoserate zeigte sich keine signifikante Erhöhung in den verschiedenen Nanosilberkonzentrationen.
Schlussfolgerung: Unsere Versuche zeigen, dass zwischen 1 und 10 ppm noch keine Zytotoxizität des nanopartikulären Silbers vorliegt. Bei höheren Konzentrationen reduzieren sich die Proliferationsrate und die Vitalität. Um negative Auswirkungen für die Patienten zu vermeiden, ist eine Freisetzung von maximal 10 ppm nanopartikulärem Silber aus dem implantierten Biomaterial zu fordern.
Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2014). Berlin, 28.-31.10.2014. Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House; 2014. DocWI59-1330
doi: 10.3205/14dkou434 , urn:nbn:de:0183-14dkou4345
Published: October 13, 2014
© 2014 Schaumburger et al.
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