Pilotstudie zur Validierung 3D-gedruckter individueller kaniner Ellbogengelenkreplikate als Ersatz für das native Ellbogengelenk in Bezug auf die intraartikuläre Kontaktmechanik

Abstract

Die ED stellt einen Komplex verschiedener entwicklungsbedingter Gelenkpathologien dar, die einzeln oder in Kombination auftreten können, und nicht jedem dysplastischen Gelenk liegt dasselbe Erkrankungsmuster zugrunde. Die Biomechanik dysplastischer Gelenke ist unvollständig geklärt, aber es konnte bereits gezeigt werden, dass erkrankte Gelenke Veränderungen in der intraartikulären Kontaktmechanik und Kraftübertragung aufweisen. Infolgedessen gestaltet sich die Entscheidungsfindung in Bezug auf die Therapie dieses Krankheitskomplexes schwierig und die derzeit verfügbaren chirurgischen Interventionsmöglichkeiten liefern variierende Ergebnisse mit z. T. hohen Komplikationsraten. Um die für den jeweiligen Patienten wirksamste Therapie ermitteln zu können, wäre es von Vorteil, die individuelle Gelenkmechanik des Patienten im erkrankten Zustand (Ist-Zustand) reproduzieren und charakterisieren zu können sowie eine Vorhersage über die Gelenkmechanik nach einem operativen Eingriff (Soll-Zustand) machen zu können. Neben computergestützten Simulationen stellen biomechanische Testungen an synthetischen patientenspezifischen Gelenkreplikaten als Ersatz für das native Gelenk eine nicht invasive Möglichkeit zur Erfassung und Quantifizierung der individuellen Gelenkmechanik dar.

Ziel dieser Pilotstudie war die Validierung 3D-gedruckter Gelenkreplikate als Ersatz für das äquivalente native Ellbogengelenk in Bezug auf intraartikuläre Kontaktflächen der humeroulnaren Artikulation. Zur Erfassung und anschließenden Quantifizierung intraartikulärer Kontaktareale wurden biomechanische Belastungsversuche unter Anwendung einer Abdruck-Technik an Ellbogengelenken kaniner Kadaver sowie an den entsprechenden 3D-gedruckten Gelenkreplikaten durchgeführt. Es wurden Silikonabdrücke generiert unter der Annahme, dass in Bereichen, an denen die humero-ulnaren Gelenkflächen Kontakt haben, Silikonmasse weggedrückt wird und somit silikonfreie Areale, also Kontaktareale, entstehen und in Bereichen fehlenden Kontaktes kein Silikon weggedrückt wird. Die Testungen wurden an drei Kadavergelenken und drei synthetischen Gelenkreplikaten, die mittels SLA-Druck aus Kunstharz gefertigt worden waren, durchgeführt. Die im 90° Winkel in eine Materialprüfmaschine eingespannten Präparate wurden jeweils mit 50 N, 100 N und 200 N belastet. Die Kontaktmuster wurden nacheinander mithilfe eines Kontrastmittel-Deckfarben-Gemisches auf die jeweilige ulnare Gelenkfläche transferiert und die Knochen- bzw. Plastikmodelle mit den jeweils transferierten Kontaktmuster mittels CT digitalisiert. Anhand der CT-Daten wurden digitale 3D-Rekonstruktionen generiert. Im Gegensatz zu den Knochenkontakten, die eine klare Abgrenzung zwischen Kontakt (kein Silikon) und fehlendem Kontakt (Silikonschicht) zeigten, wiesen die Plastikkontakte aufgrund der fehlenden, für Knorpel typischen viskoelastischen Eigenschaften ein zentrales freies Silikonareal und eine Ausdünnung des Silikons in Form einer dünnhäutigen Silikonmembran in der Peripherie der Kontaktareale auf. Die Plastikkontakte wurden deshalb zweifach validiert, indem der ursprüngliche Plastikkontakt als auch der Plastikkontakt nach Abtragen der dünnhäutigen Silikonmembran (nachbearbeiteter Plastikkontakt) ausgewertet wurde. Um die Kontaktmuster von Knochenmodell und Plastikmodell quantitativ vergleichend beurteilend zu können, wurden die digitalisierten Knochen- bzw. Plastikkontakte extrahiert und auf die ulnare Gelenkfläche (Referenzgelenkfläche) der digitalen 3D-Rekonstruktion des nativen Knochenmodells (STL-Modell), das für die jeweilige Versuchsreihe als Vorlage für den 3D-Druck diente, projiziert. Das dazu erforderliche Alignment der jeweiligen In-silico-Modelle erfolgte mithilfe von 3D-Registrierungstechniken. Anschließend wurden die auf die Referenzgelenkfläche projizierten Kontaktmuster mithilfe eines eigens dafür geschriebenen Python-Skripts in die Referenzgelenkfläche integriert und zu einem digitalen Objekt vereint. Die Kontaktmuster wurden visuell beurteilt und quantitativ ausgewertet.

Allen Knochen- und Plastikgelenken gemein waren Kontaktbereiche am Proc. anconeus sowie am medialen Koronoid, die sich mit steigender Belastung ausdehnten und konfluierten. Mit zunehmender Last erfolgte eine Größenzunahme der Knochen- und Plastikkontakte, wobei die Größe der Kontaktfläche am Plastikmodell stets kleiner war als am Knochenmodell. Als Maß für die Übereinstimmung der Kontaktmuster wurden folgende Scores berechnet: Sørensen-Dice-Koeffizient und ein Contact-Patch-Agreement-Score, die neben der Größe auch die Topografie der Kontaktareale berücksichtigen, Intraklass-Korrelationskoeffizient sowie ein Single-Observer-Score. Alle Scores fielen für die überarbeiteten Plastikkontakte stets höher aus als für die ursprünglichen Plastikkontakte, was auf eine bessere Übereinstimmung zwischen überarbeiteten Plastikkontakten und Knochenkontakten schließen lässt. Bei den überarbeiteten Plastikkontakten konnte zudem eine stete Zunahme der Score-Werte von ICC [0,54 (50 N); 0,69 (100 N); 0,71 (200 N)], Sørensen-Dice-Koeffizient [0,49 (50 N); 0,68 (100 N); 0,72 (200 N)] und Single-Observer-Score [5,7 (50 N); 6,7 (100 N); 7,5 (200 N)] mit steigender Belastung festgestellt werden, was für eine zunehmend bessere Übereinstimmung von Knochen- und Plastikkontakt mit Lastzunahme spricht. Von allen Scores wies der Agreement-Score bei allen Belastungsstufen die beste Übereinstimmung zwischen Knochen- und Plastikkontakten auf und liegt für die überarbeiteten Plastikkontakte bei 0,65 (50 N), 0,77 (100 N) und 0,76 (200 N).

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass 3D-gedruckte Gelenkreplikate des kaninen Ellbogengelenks in der Lage sind die Topografie der intraartikulären Kontaktareale analog zum Originalgelenk abzubilden, wobei die Plastikkontakte kleiner ausfallen als die Knochenkontakte. Zur exakteren Replikation von Kontaktmustern an synthetischen Gelenkmodellen sind weitere Studien erforderlich, die den Einsatz anderer Segmentationstechniken und Druckmaterialien bzw. 3D-Druckverfahren evaluieren und eine Optimierung des Surface-Finish anstreben.

Elbow dysplasia refers to a disease complex of different developmental elbow joint pathologies that occur separately from each other as well as in combination with each other and the disease pattern is not the same in every dysplastic elbow joint. The biomechanics of dysplastic elbow joints haven’t been fully elucidated but there is evidence that affected elbow joints Show alterations in intraarticular joint mechanics and load transmission. As a result, decision making in terms of the best therapeutic intervention remains difficult and currently available surgical treatment methods vary with regard to their success rates and are not always satisfactory. To determine the most effective treatment option for each patient it would be helpful to be able to replicate and characterize the patient’s individual joint mechanics of the diseased joint and to predict possible future mechanics following surgery. Non-invasive methods for Investigation and quantification of individual joint mechanics include computational simulations as well as patient specific synthetic joint replicas for biomechanical testing. The objective of this study was to validate intraarticular joint contact patterns of the humeroulnar articulation in 3D-printed joint replicas against the corresponding contact patterns from cadaver specimens. To measure and quantify ulnar contact areas a static loading protocol and a casting technique were applied. Biomechanical testing was performed on three healthy canine elbow joints and their corresponding 3D-printed joint replicas that were fabricated using SLA printing technology. Each joint was mounted on a material testing machine in a 90° angle and loaded consecutively with 50 N, 100 N and 200 N. To visualize humero-ulnar contact a silicone paste was injected into the joint space prior to loading. The silicone casts revealed areas free from silicone where humeral and ulnar joint surfaces had been in contact (contact areas), hence the silicone paste was squeezed out of the joint. Conversely, in regions where no contact had occurred a silicone layer remained. In contrast to the contact patches on bone models (native contact patterns), which showed a clear demarcation between contact (free from silicone) and no contact (remaining silicone layer), contact areas on plastic models had a central silicone free area that was surrounded by a thin-skinned silicone membrane in the periphery of the contact area. This thinning of the silicone was likely due to the missing viscoelastic properties of the resins used for model fabrication as opposed to articular cartilage.

Therefore, the contact patterns of the plastic models were validated twofold: first the initial (original) contact patterns, and second, after having cleaned the silicone casts of the plastic models from the thin-skinned silicon membrane in the contact patch periphery (revised contact patterns). Each contact pattern was transferred onto the ulnar joint surface with a liquid mixture of contrast agent and opaque white. Each bone and plastic model comprising the transferred contact pattern was CT scanned and digital 3D-reconstructions (STL models) were generated based on the acquired CT data. To be able to compare the contact patterns of each bone model and its corresponding plastic model quantitatively, it was necessary to extract and project the digitized contact patterns of each test series onto the ulnar joint surface (reference joint surface) of the digital 3D-reconstruction (STL model) of the respective native bone model that had served as a print template for the 3D print for that test series. 3D Registration techniques were used to align the in-silico models and to project the contact patterns onto the reference joint surface. The registered contact patterns were integrated into the reference Joint surface and united as a single digital object using of a python script specifically written for that purpose. The contact patterns were visually and quantitatively evaluated.

Both cadaver specimens and joint replicas revealed areas of contact on the anconeal process and the medial coronoid process that expanded and coalesced with rising load. As a result, contact area increased with higher loads, however, on the synthetic replicas contact area was constantly smaller at each load level. To measure the agreement between contact patterns of cadaver specimen and joint replicas various scores were applied: Sørensen-Dice-coefficient and contact patch agreement score, both of which are similarity indexes that evaluate size, shape and location of contact patterns, intraclass-correlation coefficient and a single observer score. The values for all scores were consistently higher for the revised contact Patterns compared to the initial contact patterns of the joint replicas suggesting better agreement of the revised contact patterns with the native contact patterns. For the revised (plastic) contactzpatterns there was an increase of their score value for the ICC [0,54 (50 N); 0,69 (100 N); 0,71 (200 N)], Sørensen-Dice-coefficient [0,49 (50 N); 0,68 (100 N); 0,72 (200 N)] and single observer score [5,7 (50 N); 6,7 (100 N); 7,5 (200 N)] with rising load level revealing a better agreement of the revised (plastic) contact patterns with the native contact patterns as load increased. As a metric, the agreement score revealed the best agreement between contact patterns of bone and plastic models throughout all load levels and among all scores that were applied. For the revised plastic contacts the score values were 0,65 (50 N), 0,77 (100 N) and 0,76 (200 N).

3D-printed joint replicas of the canine elbow joint predicted intraarticular joint contact Patterns accurately in terms of their topography, however, quantitative analysis revealed that contact areas of synthetic-based joint replicas are always smaller than those of corresponding bone specimens. To further improve the level of accuracy for replication of joint contact Patterns using synthetic-based joint models as a substitute for the native joint further studies are needed which evaluate the use of different segmentation methods, 3D-printing technologies, and materials for an enhanced surface finish in the context of 3D-model generation.