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Der Orthopäde

, Volume 36, Issue 7, pp 628–634 | Cite as

Muskuloskelettale Biomechanik des Kniegelenks

Grundlagen für die präoperative Planung von Umstellung und Gelenkersatz
  • M.O. Heller
  • G. Matziolis
  • C. König
  • W.R. Taylor
  • S. Hinterwimmer
  • H. Graichen
  • H.-C. Hege
  • G. Bergmann
  • C. Perka
  • G.N. Duda
Leitthema

Zusammenfassung

Der langfristige Erfolg operativer Eingriffe am Kniegelenk ist von der Qualität der Wiederherstellung eines natürlichen Bewegungsausmaßes bei moderater muskuloskelettaler Belastung abhängig. Wesentlich dafür ist die Berücksichtigung biomechanischen Wissens bei der präoperativen Planung und während der Operation. Bisher ist dieses Wissen nur in Büchern und Journalbeiträgen verfügbar und fließt lediglich in die präoperative Planung ein. Die Übertragung in die konkrete operative Situation ist jedoch vom Können und Wissen des Operateurs abhängig.

Mathematische Modelle besitzen das Potenzial, dem Operateur detaillierte, patientenspezifische Informationen zu den in vivo wirkenden Kräften und deren räumliche und zeitliche Verteilung zur Verfügung zu stellen. Ihr Einsatz in der Routine setzt jedoch eine umfangreiche Überprüfung voraus. Mit einem an Patientendaten validierten Berechnungsmodell wurde gezeigt, dass sowohl das tibiofemorale als auch das patellofemorale Gelenk infolge der Muskelaktivität bereits während Alltagsaktivitäten erheblichen Kräften ausgesetzt sind. Die Berechnungen legen nahe, dass die Kräfte bei einer Fehlstellung der anatomischen tibiofemoralen Achse von >4° deutlich ansteigen, das Ausmaß des Kraftanstiegs dabei jedoch interindividuell stark variieren kann. Um neben der Gesamtbelastung auch die genaue Verteilung der Kräfte innerhalb des Gelenks zu ermitteln, ist eine hinreichend genaue Beschreibung der Bewegung des Kniegelenks erforderlich. In Verbindung mit MR basierter In-vivo-Bildgebung bieten neue mathematische Modelle die Möglichkeit, die Kniebewegung des einzelnen Patienten genau wiederzugeben und den Einfluss der aktiven Muskulatur auf die Kinematik zu berücksichtigen.

Durch die Implementierung dieser Technologien in präoperative Planungs- und intraoperative Navigationssysteme eröffnet sich die Möglichkeit den Operateur bei seinem Vorgehen durch Vorhersagen der patientenspezifischen postoperativen Biomechanik zu unterstützen. Wir gehen davon aus, dass durch eine auf diese Weise optimierte Biomechanik auch die Funktionsparameter des künstlichen Gelenks entscheidend verbessert werden können.

Schlüsselwörter

Knie Biomechanik Kinematik Kinetik Osteotomie 

Musculoskeletal biomechanics of the knee joint

Principles of preoperative planning for osteotomy and joint replacement

Abstract

The long-term clinical outcome of surgical interventions at the knee is dependent upon the quality of the restoration of normal function, together with moderate musculoskeletal loading conditions. In order to achieve this, it is essential to consider biomechanical knowledge during the planning and execution of the procedures. Until now, such knowledge has only been available in books and journal manuscripts and is merely considered during preoperative planning. Its transfer into the specific intraoperative situation is, however, primarily dependent upon the surgeon’s skills and understanding.

Mathematical models hold the potential to provide the surgeon with detailed, patient-specific information on the in vivo forces, as well as their spatial and temporal distribution. Their application in clinical routine, however, requires a comprehensive validation. Based on a model validated against patient data, it has been shown that – mainly as a result of the action of the muscles – both the tibiofemoral as well as the patellofemoral joints experience substantial mechanical loads even during normal activities of daily living. The calculations further indicate that malalignment at the knee in the frontal plane of more than approximately 4° results in considerably increased forces across the tibiofemoral joint. The actual change in force to a given degree of malalignment might, however, vary greatly between subjects. In order to additionally determine the distribution of the forces in more detail, a sufficiently accurate model of knee joint kinematics is required. In combination with MR-based in vivo imaging techniques, new mathematical models offer the possibility to capture the individual characteristics of knee kinematics and might additionally allow the effect of muscle activity on joint kinematics to be considered.

By implementing these technologies in preoperative planning and navigation systems, up-to-date biomechanical knowledge can be made available at the surgeons’ fingertips. We propose that optimizing the biomechanical conditions through using these approaches will allow the long-term function of the replaced joint to be significantly enhanced.

Keywords

Knee Biomechanics Kinetics Kinematics Osteotomy 

Notes

Danksagung

Diese Studie wurde u. a. durch Mittel der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG, KFO 102/2 und SFB 760) ermöglicht.

Interessenkonflikt

Der korrespondierende Autor gibt an, dass kein Interessenkonflikt besteht.

Literatur

  1. 1.
    NIH (2003) Consensus Statement on total knee replacement. NIH Consens State Sci Statements 20: 1–34Google Scholar
  2. 2.
    Anderson FC, Pandy MG (2001) Static and dynamic optimization solutions for gait are practically equivalent. J Biomech 34: 153–161PubMedCrossRefGoogle Scholar
  3. 3.
    Andriacchi TP, Alexander EJ (2000) Studies of human locomotion: past, present and future. J Biomech 33: 1217–1224PubMedCrossRefGoogle Scholar
  4. 4.
    Benjamin J (2006) Component alignment in total knee arthroplasty. Instr Course Lect 55: 405–412PubMedGoogle Scholar
  5. 5.
    Bergmann G, Deuretzbacher G, Heller M et al. (2001) Hip contact forces and gait patterns from routine activities. J Biomech 34: 859–871PubMedCrossRefGoogle Scholar
  6. 6.
    Bergmann G, Graichen F, Rohlmann A et al. (2007) Die Belastung orthopädischer Implantate. Messungen und praktische Anwendungen. Orthopade 36: 195–204PubMedCrossRefGoogle Scholar
  7. 7.
    Blankevoort L, Huiskes R (1996) Validation of a three-dimensional model of the knee. J Biomech 29: 955–961PubMedCrossRefGoogle Scholar
  8. 8.
    Brand RA, Pedersen DR, Davy DT et al. (1994) Comparison of hip force calculations and measurements in the same patient. J Arthroplasty 9: 45–51PubMedCrossRefGoogle Scholar
  9. 9.
    Brand RA, Pedersen DR, Friederich JA (1986) The sensitivity of muscle force predictions to changes in physiologic cross-sectional area. J Biomech 19: 589–596PubMedCrossRefGoogle Scholar
  10. 10.
    Cappozzo A, Catani F, Leardini A et al. (1996) Position and orientation in space of bones during movement: experimental artefacts. Clin Biomech 11: 90–100CrossRefGoogle Scholar
  11. 11.
    Caruntu DI, Hefzy MS (2004) 3-D anatomically based dynamic modeling of the human knee to include Tibio-Femoral and Patello-Femoral joints. J Biomech Eng 126: 44–53PubMedCrossRefGoogle Scholar
  12. 12.
    Chao EY, Rim K (1973) Application of optimization principles in determining the applied moments in human leg joints during gait. J Biomech 6: 497–510PubMedCrossRefGoogle Scholar
  13. 13.
    Coventry MB (1985) Upper tibial osteotomy for osteoarthritis. J Bone Joint Surg Am 67: 1136–1140PubMedGoogle Scholar
  14. 14.
    Crowninshield RD (1978) Use of optimization techniques to predict muscle forces. J Biomech Eng 100: 88–92Google Scholar
  15. 15.
    Dennis DA (2006) Trends in total knee arthroplasty. Orthopedics 29: S13–S16PubMedGoogle Scholar
  16. 16.
    Erdemir A, McLean S, Herzog W, Bogert AJ van den (2007) Model-based estimation of muscle forces exerted during movements. Clin Biomech 22: 131–154CrossRefGoogle Scholar
  17. 17.
    Heller MO, Bergmann G, Deuretzbacher G et al. (2001) Musculo-skeletal loading conditions at the hip during walking and stair climbing. J Biomech 34: 883–893PubMedCrossRefGoogle Scholar
  18. 18.
    Heller MO, König C, Graichen H et al. (2007) A new model to predict in vivo human knee kinematics under physiological-like muscle activation. J Biomech 40: 45–53CrossRefGoogle Scholar
  19. 19.
    Heller MO, Taylor WR, Leonhardt U et al. (2003) Towards integrating musculo-skeletal analyses into pre-operative planning. The influence of axial alignment on individual knee joint loading, in computer assisted orthopaedic surgery. In: Langlotz F, Davies BL, Bauer A (eds) Proceedings of the 3rd annual meeting of CAOS-International. Steinkopf, Darmstadt, pp 140–141Google Scholar
  20. 20.
    Heller MO, Taylor WR, Perka C, Duda GN (2003) The influence of alignment on the musculo-skeletal loading conditions at the knee. Langenbecks Arch Surg 388: 291–297PubMedCrossRefGoogle Scholar
  21. 21.
    Imran A, Huss RA, Holstein H, O’Connor JJ (2000) The variation in the orientations and moment arms of the knee extensor and flexor muscle tendons with increasing muscle force: a mathematical analysis. Proc Inst Mech Engl 214: 277–286CrossRefGoogle Scholar
  22. 22.
    Jeffery RS, Morris RW, Denham RA (1991) Coronal alignment after total knee replacement. J Bone Joint Surg Br 73: 709–714PubMedGoogle Scholar
  23. 23.
    Kellis E (2001) Tibiofemoral joint forces during maximal isokinetic eccentric and concentric efforts of the knee flexors. Clin Biomech 16: 229–236CrossRefGoogle Scholar
  24. 24.
    Komistek RD, Kane TR, Mahfouz M et al. (2005) Knee mechanics: a review of past and present techniques to determine in vivo loads. J Biomech 38: 215–228PubMedCrossRefGoogle Scholar
  25. 25.
    Lamecker H, Wenckebach TH, Hege H-C et al. (2006) Atlas-basierte 3D-Rekonstruktion des Beckens aus 2D-Projektionsbildern. BVM. Springer, HamburgGoogle Scholar
  26. 26.
    Leutloff D, Tobian F, Perka C (2001) High tibial osteotomy for valgus and varus deformities of the knee. Int Orthop 25: 93–96PubMedCrossRefGoogle Scholar
  27. 27.
    Morrey BF (1989) Upper tibial osteotomy for secondary osteoarthritis of the knee. J Bone Joint Surg Br 71: 554–559PubMedGoogle Scholar
  28. 28.
    Nagura T, Dyrby CO, Alexander EJ, Andriacchi TP (2002) Mechanical loads at the knee joint during deep flexion. J Orthop Res 20: 881–886PubMedCrossRefGoogle Scholar
  29. 29.
    O’Connor JJ, Shercliff TL, Biden E, Goodfellow JW (1989) The geometry of the knee in the sagittal plane. Proc Inst Mech Engl 203: 223–233CrossRefGoogle Scholar
  30. 30.
    Rand JA, Coventry MB (1988) Ten-year evaluation of geometric total knee arthroplasty. Clin Orthop 232: 168–173PubMedGoogle Scholar
  31. 31.
    Ritter MA, Faris PM, Keating EM, Meding JB (1994) Postoperative alignment of total knee replacement. Its effect on survival. Clin Orthop 299: 153–156PubMedGoogle Scholar
  32. 32.
    Sharma L, Song J, Felson DT et al. (2001) The role of knee alignment in disease progression and functional decline in knee osteoarthritis. JAMA 286: 188–195PubMedCrossRefGoogle Scholar
  33. 33.
    Smith PN, Refshauge KM, Scarvell JM (2003) Development of the concepts of knee kinematics. Arch Phys Med Rehabil 84: 1895–1902PubMedCrossRefGoogle Scholar
  34. 34.
    Taylor WR, Ehrig RM, Duda GN et al. (2005) On the influence of soft tissue coverage in the determination of bone kinematics using skin markers. J Orthop Res 23: 726–734PubMedCrossRefGoogle Scholar
  35. 35.
    Taylor WR, Heller MO, Bergmann G, Duda GN (2004) Tibio-femoral loading during human gait and stair-climbing. J Orthop Res 22: 625–632PubMedCrossRefGoogle Scholar
  36. 36.
    Toutoungi DE, Zavatsky AB, O’Connor JJ (1997) Parameter sensitivity of a mathematical model of the anterior cruciate ligament. Proc Inst Mech Engl 211: 235–246CrossRefGoogle Scholar

Copyright information

© Springer Medizin Verlag 2007

Authors and Affiliations

  • M.O. Heller
    • 1
  • G. Matziolis
    • 1
  • C. König
    • 1
  • W.R. Taylor
    • 1
  • S. Hinterwimmer
    • 2
  • H. Graichen
    • 3
  • H.-C. Hege
    • 4
  • G. Bergmann
    • 5
  • C. Perka
    • 1
  • G.N. Duda
    • 1
  1. 1.Centrum für Muskuloskeletale ChirurgieCharité – Universitätsmedizin BerlinBerlinDeutschland
  2. 2.Abteilung und Poliklinik für SportorthopädieTechnische UniversitätMünchenDeutschland
  3. 3.Asklepios Orthopädische KlinikSchwandorfDeutschland
  4. 4.Zuse-InstitutBerlinDeutschland
  5. 5.Biomechanik LaborCharité – UniversitätsmedizinBerlinDeutschland

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