Die Bedeutung der Weichteile für die internen muskuloskelettalen Belastungen nach Knietotalendoprothese

Abstract

Die totale Knieendoprothetik ist zwar ein Eingriff mit hoher Erfolgsquote, die Ausführung funktionell anspruchsvollerer Aktivitäten jedoch ist anschließend nicht immer möglich. Zur Verbesserung der Funktion ist daher ein genaueres Verständnis der mechanischen Belastungen im Kniegelenk erforderlich. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Patienten mit telemetrischen Messprothesen einer Bewegungsanalyse bei Aktivitäten unterzogen, die sowohl die Flexion/Extension als auch die Stabilisierung des Gelenkes erfordern. Zum Verständnis der Verteilung der inneren Belastungen wurden die in vivo Messungen der Gelenkkräfte durch detaillierte patientenspezifische muskuloskelettale Rechenmodelle ergänzt. Durch die Kombination aus in vivo Messung und Rechenmodell war es erstmals möglich, schlüssig zu zeigen, dass die patello- femoralen Kontaktkräfte bei Aktivitäten mit hoher Knieflexion - aufgrund der zur Extension erforderlichen Muskelkraft - das 3-fache des Körpergewichts erreichen, und damit auf dem Niveau der tibio-femoralen Kontaktkräfte liegen. Für die Stabilisierung des Kniegelenks in der frontalen Ebene waren passive Mechanismen entscheidend. So kompensierte alleine die medio-laterale Verteilung der tibio-femoralen Kontaktkraft beim Gehen und Treppensteigen schon über 60% des externen Adduktionsmoments, was den Kompensationsaufwand durch Muskeln entsprechend reduziert. Die mediale tibio-femorale Kontaktkraft korrelierte deutlich mit dem externen Adduktionsmoment, welches selbst bei hoher Knieflexion mehr Einfluss auf die mediale Kontaktkraft hatte als das externe Flexionsmoment. Jedoch zeigte das Verhältnis dieser externen und internen Belastungen eine hohe Variation zwischen den Patienten, die auf individuell unterschiedliche Strategien zur aktiven dynamischen Stabilisierung des Kniegelenkes hinweist. Die individuellen Strategien der Gelenk- Stabilisierung sind mit den Rechenmodellen quantitativ erfassbar und können über das Design der Prothesen hinaus neue Perspektiven zur gezielten Verbesserung der Funktion eröffnen.

While total knee replacement (TKR) has a high success rate, TKR patients are still experiencing limitations in performing functionally demanding tasks. Improving function therefore requires a more accurate understanding of the mechanical loading conditions in the knee joint. Here, gait analysis was performed on 9 patients with telemetric knee implants for activities which require flexion/extension as well as stabilization of the joint. In order to gain insight into the internal load distribution, the in vivo measurements were complemented by patient specific musculoskeletal computer models. The combination of in vivo measurements and computer models provided unprecedented evidence that the muscle forces required for knee extension generate patello- femoral contact forces above 3 times bodyweight, which is the level the tibio- femoral contact forces. The stabilization of the knee joint in the frontal plane was dominated by passive mechanisms. The medio-lateral distribution of the tibio-femoral contact force alone balanced more than 60% of the external adduction moment during walking and stair climbing, which reduces the necessity for compensation by muscles. The medial tibio-femoral contact force correlated well with the external adduction moment, which had more influence on the medial contact force than the external flexion moment, even during high flexion activities. However, the relationship between these external and internal loads varied between patients, suggesting that inter-individually different strategies of active stabilization of the knee joint do exist. The individual strategies of joint stabilization are quantitatively ascertainable by computer models and can, beyond informing novel implant designs, open up new perspectives for improving function after TKR.