Zur Bedeutung der muskuloskelettalen Belastungen beim endoprothetischen Gelenkersatz der Hüfte: Konsequenzen für präklinische Testung und klinische Routine

Abstract

Vor dem Hintergrund einer weiter steigenden Lebenserwartung und einer gleichzeitigen Zunahme der Ansprüche der Patienten an die Funktion einer Hüftendoprothese ist unklar, inwieweit auch in Zukunft eine zumindest gleichbleibende Erfolgsrate und eine hohe Zufriedenheit der Patienten mit dem bisher sehr erfolgreichen Verfahren gewährleistet werden können. Es stellte sich die Frage, wie das Verständnis um die muskuloskelettalen Belastungsbedingungen der Hüfte mit dazu beitragen kann, ein optimales langfristiges Ergebnis des künstlichen Gelenkersatzes der Hüfte auch unter diesen veränderten Bedingungen zu sichern. Ein wesentlicher Beitrag dieser Arbeit war die Beschreibung eines methodischen Ansatzes zur Entwicklung eines Lastprofils, um das Wesen des komplexen Zusammenspiels von Muskel- und Gelenkkräften für die in vitro Testung verfügbar zu machen. Mit einem neuen Prüfverfahren wird erstmalig die aktive Applikation der Muskelkräfte beim Gehen und Treppensteigen realisiert. Somit wird das Knochen-Implantatkonstrukt reproduzierbar mit einer Gesamtbelastung entsprechend der in vivo ermittelten typischen Kräfte eines Hüft-TEP Patienten beaufschlagt und das Wesen der in vivo wirkenden Interaktion von Muskel- und Gelenkkräften für die in vitro Testung nutzbar gemacht. In der Anwendung des Protokolls zur Analyse zweier klinisch erfolgreicher Schaftsysteme konnte die besondere Bedeutung der gewählten Belastungsbedingungen für die Evaluation der Primärstabilität demonstriert werden. Aufgrund der Resultate dieser Studien ist die Berücksichtigung der Belastungen beim Treppensteigen, die als kritisch hinsichtlich der Torsionsstabilität zu sehen sind, als wesentliches Element der Überprüfung der Primärstabilität einer Hüftendoprothese zu fordern. Zusammen zeigen diese experimentellen Arbeiten wie mit einem komplementären Ansatz aus numerischen Analysen zum Verständnis der muskuloskelettalen Belastungen und neuen Verfahren zur in vitro Untersuchung der lokalen mechanischen Bedingungen ein neues, integratives Konzept zur Analyse der der Gelenkmechanik unter physiologisch ähnlichen Belastungsbedingungen realisiert werden kann. Von diesem Ansatz sind in Zukunft nicht nur entscheidende Impulse für die Entwicklung neuer Konzepte für die im Vergleich zur femoralen Seite immer noch kritischere endoprothetische Versorgung des Azetabulums zu erwarten, sondern auch wichtige Impulse für die Entwicklung regenerativer Therapieansätze zur gelenkerhaltenden Behandlung von Verletzungen und Erkrankungen der Gelenke. Durch die Verbindung einer klinischen Untersuchung mit einer biomechanischen Analyse zum Zusammenhang zwischen der Position der Pfanne und den resultierenden muskuloskelettalen Belastungen konnten wir zeigen, dass der langfristige Polyethylenabrieb in besonderem Maße von der medio-lateralen Position des Gelenkzentrums beeinflusst wird und erstmals ein validiertes Modell der unteren Extremitäten einsetzten, um den Zusammenhang zwischen der Rekonstruktion des Gelenkes, den auf das Gelenk einwirkenden Hüftkontaktkräften, und dem Langzeiterfolg der Hüft-TEP darzustellen. In Zukunft könnte der routinemäßige Einsatz validierter muskuloskelettaler Belastungsanalysen im Rahmen standardisierter präoperativer Planung und intraoperativer navigationsgestützter Umsetzung signifikant die Langzeitfunktion durch Reduktion des Abriebs der Endoprothese und Optimierung der muskulären Funktionsparameter des Gelenks verbessern. 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.

In the context of an ever increasing life expectancy as well as heightened demands of patients with respect to the function of a total hip arthroplasty (THA), it remains unclear whether and to which extent current success rates and high patient satisfaction with the procedure can be maintained in the future. The question being addressed here is how an understanding of the musculoskeletal loading conditions at the hip can help to ensure achieving optimal outcome of total hip arthroplasty under such changing conditions. A major contribution of this work was the description of a methodology for the systematic development of a load profile that makes the nature of the complex interaction between muscle and joint forces available for in vitro testing. Here, a new test procedure enables active simulation of the muscle forces during both walking and stair climbing and allows loading the bone-implant construct with the typical forces of a THA patient determined in vivo in a reproducible manner. In doing so, the character of the in vivo interaction between muscle and joint forces has been made available for use in in vitro testing. The application of the new in vitro testing approach for the analysis of two clinically successful stems could then demonstrate the importance of the specific loading conditions for the evaluation of fixation of the prosthesis. Specifically, the results of these studies suggest the mandatory inclusion of the loading conditions experienced during stair climbing – conditions critical for the stems’ torsional stability – as key element in the evaluation of the primary stability of a hip prosthesis. Together, the experimental studies show how the complimentary approach combining numerical analyses for understanding the musculoskeletal loading conditions with new procedures for the in vitro analysis of the local mechanics enables the implementation of a new concept for the assessment of joint mechanics under physiological-like loading conditions. It is expected that this new approach will not only enable the development of new concepts for arthroplasty of the acetabulum (that is considered even more challenging than the treatment of femoral side), but that it could also play a crucial role in the development of new regenerative therapies for the treatment of injuries and disorders of the musculoskeletal system that aim to preserve the native joint. We then sought to employ a validated model of the lower extremities to unravel the interaction between the reconstruction of the joint, the forces acting across the joint, and the long-term success of THA. By combining clinical and biomechanical analyses to assess the relationship between the position of the cup and the resulting musculoskeletal loading conditions, we could demonstrate that the long-term polyethylene wear is influenced by the medio-lateral position of the joint centre in particular. In the future, routine use of validated musculoskeletal loading analyses not only in standardised pre- operative planning but also during intra-operative decision making could help to significantly improve long-term function of THA by reducing wear and optimizing further outcome parameters governed by the function of the muscles. Implementation of such technologies in pre-operative planning and intra- operative navigation systems opens up the perspective to support the surgeons’ decision making process by providing direct access to patient-specific predictions of the post-operative biomechanics of the reconstructed joint. It is expected that the optimization of the biomechanics in this manner will be crucial for achieving considerably improved function of the replaced joint.