Gelenkbelastung & Muskel-Skelett-Analyse

Die Belastung künstlicher Gelenke und anderer orthopädischer Implantate ist noch immer teilweise unbekannt. Die auf diese Implantate einwirkenden Kräfte müssen daher für viele Zwecke ermittelt werden.

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Dr. rer. medic. Adam Trepczynski

Wissenschaftlicher Mitarbeiter - Muskel-Skelett-Analyse

Musluloskelettale Modellierung

Wir verwenden Muskuloskeletale Modellierung, um z.B. Kräfte im und das Zusammenspiel des Bewegungsapparats zu erklären und analysieren.

Muskuloskeletale Computermodelle wenden mechanische Grundsätze auf das System aus Knochen, Muskeln und Bändern an, um interne Belastungen zu identifizieren. Die Modelle nutzen Information aus direkten Messungen, wie Bewegungen und externe Kräfte, um Größen abzuschätzen, deren direkte Messung schwierig ist, wie Gelenkbelastungen und Muskelkräfte. Dies erweitert erheblich die Möglichkeiten der Analyse vom Einfluss interner und externer Faktoren auf dynamische interne Belastung anatomischer Strukturen. Die so gewonnenen Belastungsinformationen können für noch detailliertere Analysen der Lastverteilung innerhalb von anatomischen Strukturen, wie Knochen oder Knorpel, verwendet werden. Die Modelle erfordern eine Validierung mit Hilfe von in vivo gemessenen Gelenk-Kontaktkräften, in einer kleinen Gruppe von Patienten mit instrumentierten Implantaten. EMG-Messungen der Muskelaktivität können ebenfalls zur Validierung oder als Eingang für die Modelle dienen.

Unsere Arbeitsgruppe verfügt über besondere Kenntnisse darüber, wie die aktiven und passiven Strukturen des Bewegungsapparates, d.h. Muskeln, Knochen und Bänder, während der Bewegung zusammenspielen und welche Kräfte dabei in ihnen wirken. Unsere Gruppe konnte als Erste zeigen, dass diese Kräfte mit entsprechend genauen Computermodellen vorhergesagt werden können, indem wir unsere Berechnungsergebnisse mit in vivo gemessenen Kräften verglichen und so die Analysen validierten [1]. Zur Ergänzung des bestehenden Wissens über die Belastungsbedingungen hat sich unsere Forschung daher auch der Verbesserung des Verständnisses der muskuloskeletalen Bewegung zugewandt. Um mit Messverfahren - die spezielle Marker auf der Haut verwenden um die Bewegung des gesamten Körpers zu ermitteln - tatsächlich auch die Bewegung der Knochen genau zu erfassen, haben wir in Kooperation mit dem Zuse Institut Berlin neue mathematische Verfahren für den Umgang mit Weichteilartefakten entwickelt [2].

Unsere Computermodelle erlaubten es uns die dynamischen Belastungen im patello-femoralen Gelenk zu quantifizieren, und zu zeigen, dass die patello-femorale Kontaktraft auch alltäglichen Aktivitäten mehr als das Dreifache der Körpergewichts betragen kann [3]. Wir haben auch den Zusammenhang zwischen den internen Lasten und externeren Momenten am Knie untersucht. Hier konnten wir zeigen, dass der oft angenommene Zusammenhang zwar vorhanden, aber sehr patientenspezifisch ist [4, 5].

Als Teil des OVERLOAD-PrevOp Netzwerks untersuchen wir zurzeit den Einfluss von Trainingsmethoden auf das Vorschreiten der Arthritis in Patienten mit gerissenen vorderen Kreuzband. Um die genaue Lastverteilung auf Knorpel des Patienten zu bestimmen, kombinieren wir unser Erfahrung in muskuloskeletaler Modellierung, mit effizienten Finite-Elemente-Methoden entwickelt vom unseren Kooperationspartnern am Zuse Institut (ZIB).

Muskeloberflächen extrahiert aus dem Visible Human Datensatz (Philippe Moewis et al.)
Muskel-Zentroidlinen auf spezifisches Subjekt übertragen (Philippe Moewis, Adam Trepczynski et al.)
Skelettale Kinematik bestimmt durch fitten der spezifischen Anatomie an funktionelle Gelenk-Zentren/Achsen aus Bewegung reflektierender Hautmarker (Adam Trepczynski et al.)

Ausgewählte Publikationen

  • Trepczynski A, Kutzner I, Schutz P, Dymke J, List R, von Roth P, Moewis P, Bergmann G, Taylor WR, Duda GN

    Tibio-Femoral Contact Force Distribution is Not the Only Factor Governing Pivot Location after Total Knee Arthroplasty


    Total knee arthroplasty aims to mimic the natural knee kinematics by optimizing implant geometry, but it is not clear how loading relates to tibio-femoral anterior-posterior translation or internal-external pivoting. Tibio-femoral loading was measured using an instrumented tibial component in six total knee arthroplasty patients (aged 65-80y, 5-7y post-op) during 5-6 squat repetitions, while knee kinematics were captured using a mobile video-fluoroscope. In the range of congruent tibio-femoral contact the medial femoral condyle remained approximately static while the lateral condyle translated posteriorly by 4.1 mm (median). Beyond the congruent range, the medial and lateral condyle motions both abruptly changed to anterior sliding by 4.6 mm, and 2.6 mm respectively. On average, both the axial loading and pivot position were more medial near extension, and transferred to the lateral side in flexion. However, no consistent relationship between pivoting and load distribution was found across all patients throughout flexion, with R(2) values ranging from 0.00 to 0.65. Tibio-femoral kinematics is not related to the load distribution alone: medial loading of the knee does not necessarily imply a medial pivot location.

    Sci Rep 2019; 9(1):182.

  • Trepczynski A, Kutzner I, Schwachmeyer V, Heller MO, Pfitzner T, Duda GN

    Impact of antagonistic muscle co-contraction on in vivo knee contact forces


    BACKGROUND: The onset and progression of osteoarthritis, but also the wear and loosening of the components of an artificial joint, are commonly associated with mechanical overloading. Mechanical forces acting at the joints and understanding of the key factors that can alter them are critical to develop effective treatments for restoring joint function. While static anatomy is usually the clinical focus, less is known about the impact of dynamic factors, such as individual muscle recruitment, on joint contact forces. CONCLUSIONS: Treatment of diseased and failed joints should not only be restricted to anatomical reconstruction of static limb axes alignment. The dynamic activation of muscles, as a key modifier of lower limb biomechanics, should also be taken into account and thus also represents a promising target for restoring function, patient mobility, and preventing future joint failure. German Clinical Trials Register: ID: DRKS00000606

    J Neuroeng Rehabil 2018; 15(1):101.


Publikationen

Ergebnisse 1 bis 10 von insgesamt 19


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