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Biomechanische Modellierung und ihre Bedeutung für die Hüftendoprothetik

Biomechanical modeling and the relevance for total hip arthroplasty

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Zusammenfassung

Hintergrund

Die Versorgung der Hüfte mit einer Endoprothesen gehört deutschlandweit zu den häufigsten orthopädischen Gelenkeingriffen. Der Langzeiterfolg eines solchen Eingriffes ist von der Berücksichtigung der Belastungen durch Muskel- und Gelenkkräfte bei der Planung und der operativen Versorgung abhängig. Patientenspezifische Informationen der in vivo wirkenden Kräfte stehen dem Operateur in der klinischen Routine bis heute nicht zur Verfügung. Hier setzt die biomechanische Modellierung an.

Verfahren

Die biomechanische Modellierung ermöglicht die Entwicklung moderner Methoden und Verfahren zur genauen Analyse und Simulation von Endoprothesenversorgungen. Das Ziel war, anhand von zwei Beispielen (Sensitivitätsanalyse und prä-post-operativer Vergleich), die Möglichkeiten der biomechanischen Modellierung in der Hüftendoprothetik aufzuzeigen.

Ergebnisse

Die Ergebnisse der Sensitivitätsanalyse zeigten, dass durch eine Modellierung die optimale Rekonstruktion des Hüftzentrums gefunden werden kann. Hierdurch können die Kräfte am Hüftgelenk minimiert werden. Im Falle des prä-post-operativen Vergleichs wurde analysiert, ob es postoperativ zu einer Belastungsminimierung/-erhöhung kommt oder ob die Belastungsverhältnisse annährend gleich zur präoperativen Situation gehalten werden können. Ein routinemäßiger Einsatz validierter muskuloskelettaler Belastungsanalysen im Rahmen einer standardisierten präoperativen Planung und intraoperativen navigationsgestützten Umsetzung kann in Zukunft den Abrieb reduzieren und die Standzeit der Prothesen erhöhen. Validierte Analysen der muskuloskelettalen Belastungen können zur Erweiterung des Grundlagenwissens beitragen. Gleichzeitig kann eine Integration in den klinischen Workflow zur Optimierung der endoprothetischen Versorgung führen.

Abstract

Background

Providing the hip with an endoprosthesis is one of the most common orthopedic interventions in Germany. The long-term success of such a procedure depends on the consideration of the loads due to muscle and joint forces in the planning and operative care. Patient-specific information of forces acting in vivo is not available to the surgeon in clinical routine today. This is where biomechanical modeling comes in.

Procedures

A field of activity of biomechanical modeling is the development of methods and procedures for the precise analysis and simulation of endoprosthetic supplies. The aim was to show the possibilities of biomechanical modeling in total hip arthroplasty by means of two examples (sensitivity analysis and pre-/postoperative comparison of intervention outcome).

Results

The results of the sensitivity analysis showed that by modeling the position of an optimal reconstruction of the hip rotational center can be found and the forces acting on the hip joint minimized. In the case of the pre-/postoperative comparison, it can be analyzed whether there has been a decrease or increase of load postoperatively, respectively, or whether the conditions are considered to be approximately equal to the preoperative situation. In the future, biomechanical modeling will be able to significantly improve long-term function by reducing wear and optimizing muscular function of the joint. Therefore, the routine use of validated musculoskeletal analysis in the context of standardized preoperative planning and intraoperative navigation-based implementation should be considered. Thus, validated analyses of musculoskeletal loads not only contribute to the extension of basic knowledge but also to the optimization of endoprosthetic care through their integration into the clinical workflow.

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Abb. 1
Abb. 2
Abb. 3
Abb. 4
Abb. 5
Abb. 6

Abbreviations

CAD:

„Computer-aided design“

CT :

Computertomographie

FG5 :

Partielle Körpergewichtskraft

FM_P :

Abduktorengruppe nach Pauwels

G5 :

Körpergewicht minus Standbeingewicht

HRZ :

Hüftrotationszentrum

HTEP :

Hüfttotalendoprothese

KG :

Körpergewicht

MP :

Männliche Patienten

R :

Hüftgelenkskraft

ROM :

„Range of motion“

WP :

Weibliche Patienten

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Authors and Affiliations

  1. Klinik für Orthopädie, Universitätsklinikum Aachen, RWTH Aachen, Pauwelsstraße 30, 52074, Aachen, Deutschland

    J. Eschweiler, F. Migliorini, H. Siebers, M. Tingart & B. Rath

  2. Zentrum für Orthopädische Chirurgie, Eifelklinik St. Brigida, Simmerath, Deutschland

    F. Migliorini

Authors
  1. J. Eschweiler
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  2. F. Migliorini
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  3. H. Siebers
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  4. M. Tingart
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  5. B. Rath
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J. Eschweiler, F. Migliorini, H. Siebers, M. Tingart und B. Rath geben an, dass kein Interessenkonflikt besteht.

Dieser Beitrag beinhaltet keine von den Autoren durchgeführten Studien an Menschen oder Tieren.

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Eschweiler, J., Migliorini, F., Siebers, H. et al. Biomechanische Modellierung und ihre Bedeutung für die Hüftendoprothetik. Orthopäde 48, 282–291 (2019). https://doi.org/10.1007/s00132-019-03695-9

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