Die Belastung des Kniegelenks: in-vivo Messungen mit instrumentierten Knieendoprothesen

Abstract

Kenntnisse über die Belastung des Kniegelenks in vivo sind sowohl Grundlage für die präklinische Testung und Verbesserung von Implantaten als auch für die Validierung muskuloskeletaler Rechenmodelle. Des Weiteren ist das Wissen über die Belastung und über Möglichkeiten zur Entlastung des Gelenks entscheidend für die Behandlung von Patienten mit verschiedenen orthopädischen Indikationen wie Gonarthrose, Bandverletzungen, Meniskusschäden, gelenknahen Frakturen sowie nach Kniegelenksersatz. Instrumentierte Knieendoprothesen mit telemetrischer Datenübertragung ermöglichen die in vivo Messung der tibio- femoralen Kontaktkräfte und Momente. Im Rahmen dieser Arbeit erhielten neun Patienten mit Gonarthrose ein solches Implantat. Es zeigte sich, dass das Kniegelenk schon im Alltag großen Belastungen ausgesetzt ist. Bei den meisten alltäglichen Aktivitäten, wie z.B. Gehen und Treppen steigen, lag die Gesamtkraft zwischen 200 und 350% des Körpergewichts. Neben der Gesamtkraft im Kniegelenk spielt die medio-laterale Kraftverteilung eine entscheidende Rolle für die Entstehung und den Verlauf von Arthrose. Beim Gehen wird üblicherweise ein Großteil der maximalen Axialkraft über das mediale Kompartment übertragen. Dieses übernimmt zwischen 60 und 90% der gesamten Axialkraft. Konservative Methoden zur Behandlung medialer Arthrose, wie Valgus-Orthesen und laterale Schuhranderhöhungen sollen das mediale Kompartment entlasten und dadurch zu einer Schmerzreduktion führen. Eine Entlastung der medialen Kraft durch Schuhranderhöhungen war bei den untersuchten Probanden jedoch nur geringfügig um bis zu 7% möglich. Größere Entlastungen von 10-30% konnten, je nach Valgus- Stellung und Modell, durch Orthesen erreicht werden.

Knowledge about the loading of the knee joint is essential for the preclinical testing of implants, validation and improvement of musculoskeletal models as well as for physicians, patients and physiotherapists. Since it is known that especially uni-compartmental loading contributes to the development and progression of osteoarthritis, information about the load distribution within the joint is crucial for the treatment of patients with orthopaedic indications such as osteoarthritis, meniscal lesions or total knee replacements. Instrumented knee implants with telemetric data transmission enable the measurement of tibio-femoral contact forces and moments in-vivo. In this study, the joint loading was measured in 9 patients during various activities of daily living. Moreover it was examined, weather it is possible to reduce the medial contact force using valgus braces or laterally wedged shoes. The results showed that the knee joint is already highly loaded during daily life. During most activities of daily living, such as walking and stair climbing, peak resultant forces between 200 and 350% of body weight were measured. The medio-lateral force distribution was strongly correlated to the leg alignment. Whereas in patients with a valgus-alignment the axial force was equally distributed between both compartments, about 80-90% of the axial force was transferred medially in patients with a varus-alignment. Using laterally wedged shoes, the medial contact force was reduced by up to 7% during walking. Larger reductions of 10-30% were, depending on model and valgus position of the brace, achieved by valgus braces.