Parameteridentifikation des humanen Gelenkknorpels und Bestimmung der dynamischen Lastrandbedingungen für die Kontaktmechanik im dysplastischen Hüftgelenk
Final Report Abstract
Hauptgegenstand dieses Projektes war die Erstellung eines dynamischen dysplastischen Hüftmodells in einer Mehrkörpersimulation. In Vorarbeiten war bereits ein rudimentäres Modell erstellt worden. Dieses wurde allerdings als deutlich zu simplifiziert eingestuft und der Ansatz als schlecht erweiterbar erachtet. Daher wurde ein komplett neues Modell aufgebaut mit eigener und leichter zu modifizierender Struktur. Um eine chirurgische Korrektur der Dysplasie zu modellieren, wurde eine Osteotomie nach Salter nachgestellt. Dazu wurde eine horizontale Durchtrennung des Os Illium oberhalb der Hüftpfanne durchgeführt. Der untere Teil wurde dann entlang einer in vorherigen Studien ermittelten Schraubasche gedreht. Dieses Modell wurde mit Ganganalyse Daten in Form von Winkelverläufen in der Hüfte und Lasten im Femur belastet. Es zeigt sich, dass die Hüftgelenkskraft stark abhängig ist von der Osteotomie an der Hüfte. Je größer die Höhe oder der Offset, desto höher ist während des Einbeinstandes (Gangzyklus 0%…63%) die Reaktionskraft. Die beiden Maßnahmen wirken gegenseitig verstärkend. Für die klinische Praxis lässt sich daraus folgern, dass bei einer Umstellung eher konservativ vorgegangen werden sollte, um die Belastungen im Hüftgelenk zu minimieren. Zwingt die geometrische Situation zu einer drastischen Umstellung, so ist z.B. durch Muskeltransfers dafür Sorge zu tragen, dass die resultierende Belastung reduziert wird. Zusätzlich wurde ein Modell erstellt zur Berechnung von Lastrandbedingungen für eine kontinuumsmechanische Modellierung von Hüftgelenksknorpel unter physio-dynamischer Kontaktbeanspruchung. Daher wurde mithilfe eines Modells einer Hüfte Lastrandbedingungen für das Gehen in der Ebene von gesunden Patienten und Patienten mit einer Hüftarthrose (Kellgren Lawrence Grad 3) bereitgestellt. Mittels inverser Dynamik und statischer Optimierung wurde eine Kraft im Hüftgelenk berechnet und in eine FEM Simulation übertragen. Hiermit wurde die Berechnung der Spannungen über den Verlauf eines einzelnen Gangzyklus möglich. Es kann geschlussfolgert werden, dass die erhöhten Spannungen, die im arthritisch veränderten Gelenk auch bei normalem Gang auftreten, durch ein angepasstes Gangbild verringert werden. Die vom Körper unbewusst vollzogenen Änderungen haben also tatsächlich die gewünschte Wirkung und verringern damit möglicherweise weiteren Verschleiß.
Publications
- The Effect of Salter-Osteotomy for Juvenile Hip Dysplasia: Muscle Forces and Joint Reactions. 18th Congress of the ESB in Lissabon, Portugal, 2013
Schwarze, M., Welke, B., Hurschler, C., Esch, C., Pressel, T.
- Dynamic Time Warping - A functional metric for validation of musculoskeletal models via EMG. 7th World Congress of Biomechanics in Boston, USA, 2014
Schwarze, M., Gaspar, M., Seehaus, F., Meister, C., Hurschler, C.
- “Effects of osteoarthritis and pathological walking on contact stresses in femoral cartilage”. Biomechanics and Modeling in Mechanobiology, 2015, 14 (6): 1167-80
Mabuma, J., Schwarze, M., Hurschler, C., Markert, B., Ehlers, W.
(See online at https://doi.org/10.1007/s10237-015-0663-3)
