Beiträge zur Biomechanik
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Die Belastung des knöchernen Lagers des Tibiaplateaus beim kompletten Gelenkflächenersatz - eine Finite-Elemente-Analyse V. Jansson
Z usam me nfassung Bei Verwendung eine r bik ondylären Knie schlittenp rothese komm t der Belastung des kn öch er nen Lager s besonder e Bed eutung zu . Für ein Tibiaplateaudesign , da s aufg ru nd verbesse rter anatomischer For mgeb u ng di e all seit s kortikale Rand auflage der Prothese erm öglich t, wurd e mi t Hil fe eine r Finit e-El em en te-Analyse die Bela stung des knöcherne n Lager s bei verschied enen Implant ationsbedingungen ber echnet. Interessan terweise zeigt sich da bei, daß es unabhä ngig von de r Art der ko rt ik al en Randab stü tzung d er P ro these imm er auch zu ein er Z ugbelast u ng in d er G renzschicht Prothese/ Kn o ch en kommt. Bei allseitiger kortikaler Randauflage d er Prothese finden sich di e Zugs pann ungs be reiche in d er Nä he relativ gro ße r Dru ck sp annungsber eich e. Bei nur m edi a ler kortik al er Randauflage der Pro these info lge eines zu klein gewählten Tibi a plateau s ergebe n sich n ur geri nggrad ige Änd erungen der Sp a nnu ngsverte ilu ngen . Bei nur later aler kortikal er Ab stützung d er P rothese jed o ch kommt es im lat er alen Plat eauber eich zu einer relati v gro ß flä chigen Einleitu ng vo n Zugspan nu ngen in das kn ö ch erne La ger . Da die Einleitu ng vo n Zugspannungen a m Int er face Prothese/Kn och en a ls unphysiologisch und so m it un gün stig a ngesehen werde n mu ß , so llte d ah er bei int ra o perativ nicht m öglich er all seiti ger kortikaler Randauflage de r P ro th ese die medi ale Auflage des T ib iaplat eaus zu La sten der lateralen Auflage angestreb t werd en .
Einleitung Die Bela stung d es Hüft gelenkes läßt sich mi t eine r Kraft , näm lich d er Hü ftr esul tier end en (15), besch reiben . Am Knie gelenk ist die Situatio n kom plizierter: Zw ei Kr ä ft e, nämli ch die Druckkrä ft e unt er den beid en Femurkondyli, bela sten das Tibi aplateau , wo bei die m ed iale Komponente info lge de s Körpermom entes (7) die stär kere ist. Bei dem reinen Gelenkfläch enersat z m it zusam m en hä ngend er me d ia ler und lateral er Gelenk fläc he können aus d iesen besonderen mech ani sch en Verhältnissen Pr oblem e entste he n , di e zu r Au slockerung der lat er aZ . O rt hoc . 129 (1991) 389-3 92 © 199 1 F. Enke Verlag Sruugan
Mech ani cal stress d istrib utio n in th e üb lal bon e in to ta l kn ee repl acement - a finite eleme nt stu dy For an un constra ined bicond ylar sled ge kn ee prosth esis th e me ch an ica l lo ad of the bony su ppo rt ist crucial. For a d esign of a tibi al co m ponen t of suc h a p ro sthesis wit h imp ro ved an at omical fea tures allo wing a com plete co rt ical su pport o f th e rim of the p ro sthesis, a fini te element study wa s perfo rm ed. Stre ss reacti on s o f the bone for d iff erent im plant ati on modes were calculated. Irresp ecti ve o f t he bo ny su p po rt of th e p ro sthesis, ten sile stresses a re alway s tra nsferre d at th e int erface prosthesis/bone into the bon e. For a com plete co rtica l su p po rt of th e rim o f pro st hesis, the areas o f ten sile st ress in the bone ar e clo sely rel ated to area s o f high co mp ressio n stress . If th er e is co rtica l su ppo rt of the pr o sth esis o nly on th e med ial side due to an u nd er sized p ro sthesis, thi s is onl y o f min o r influen ce on th e stress pattern in th e bone. Ho wever , if there is co rtical su p po rt o f the p ro sthesis only o n the lateral side , there are large ar ea s o f tensile stresses in th e later al co m pa rtme nt o f the tibia l plat eau . H owever , ten sile st ress tr an sfer in th e tibia l plat ea u mu st be regarded a s u nph ysiologic a nd th erefore unfa vou rable. Ther ef ore, if intra o perativly com plete co rt ica l sup po rt o f the p ro st hesis can not be achie ved a more medi al co rt ical su ppo rt of suc h a p ro sth esis sho uld be pr eferred to a lat era l co rtic al sup po rt .
Jen od er medi alen Seite führ en und in un gün stigen Fä llen soga r zu m Bru ch de r T ibiak ompon ent e führ en können (12) . In (12) wurde bereits als m öglich er Au slock erungsmechanismu s di e Einleit ung vo n Z ugspa n nungen in da s kn öch erne Lager als m öglich e Lock erungsursa ch e d isku tier t . Au ch Paganelli u . M ilarb. (14) zeigten mit Hil fe einer Fini te-E lemente-Studie die prinzipi elle me chanisch e Problematik ein es zusa m men hä ngende n T ibiap lateau s a uf; schon die Interpo sition eine s I mm d icken fibr ö sen Gew ebes zwischen Knoch en und Impl antat führt bei so lchera rt gestaltete n Prothesen bei un günsti ger Belastungss ituation zu m Dau erbruch d er Ti bi akomponente (14). Au ch in m ehreren anderen Arbeiten (6, 7 , 13, 19, 20)
Dieses Dokument wurde zum persönlichen Gebrauch heruntergeladen. Vervielfältigung nur mit Zustimmung des Verlages.
O rth o pä dische Klinik im Klinikum Großhade rn der Lud wig-Maxirnilians-Universit ät M ünchen (Direktor: Pro f. Dr. med . H . J . Refior)
Z. Orthop. 129 (1991)
werde n Kon stru ktion sbrüche des Tib iapl at eau s beim tot alern Kniegelen ksersat z a ls Au sdruck der schwierigen mecha nischen Belastung beschrieben. Du rch ein verbesse rtes Tibiaplat eaudesign mit verbesserter a natomischer Formgebung ka nn eine bessere ko rtikale Ra nd aufl age der P rothese err eicht werde n. Mit Hi lfe einer Finite-Elemente-An alyse so ll die Belastung des knöchern en Lagers für ein solcherart gestaltetes Prothesendesign unte r verschie de nen Impl a ntationsbedingu ngen mit jeweils unte rschiedlicher knöc herne r A bstützung berechnet und auf die Spa nnu ngsverteilung im knöche rnen Lager hin untersucht werden .
V. Jansson
Es wurde zunäc hst die ideale Impl antati on im Sinne einer allseitigen kortikalen Rand aufl age durchgerechnet. Danach wurden verschiedene Fälle möglich er Fehl impl ant ationen im Sinne zu klein gewählter Prothesen betrachtet. Dabei wurd e sowo hl de r Fall des a llseits zu kleinen Plat eau s mit nur spongiöser Ab stü tzun g als a uch der Fall eines teilweise zu klein gewä hlte n Mod ells mit unvollständiger und zwa r einseitiger lateraler bzw. medialer korti kaler Randa bst ützu ng berec hn et. Bei der Au swertung der im knöc hernen Lager einge leitete n Spa nnungen wurden 4 Bereiche unterschieden. Negative \Verte bedeuten eine Einleitung von Zugspannungen , positive Werte eine Einleitung von Druckspannungen in da s knöchern e Lager.
Materia l und Methode In dem verwendeten Finite-Elem ente-A ufbau wu rde der Pr othesen körper aus isoparamet rischen Volumenelemen ten a ufgebaut (Ab b . I). Unte r die P ro th ese wurde eine einschic htig e Schicht aus Volumenelementen gelegt, da s der Stei figkeit des spongiösen bzw, kor ti kalen Knochen s ent spricht und zur Simul ati on von Dru ckund Zugspa nnung geeignet ist. Für die Bestimmung des EModuls der Tibiakop fspon giosa liegen verschiedene Anga ben vor ( 1,2, 11,21). Es wurde schließlich ein E-Modul für die Kortikalis von 20000 Nlm ' und für die Spongiosa ein E-Mo dul von 150 Nimm ' gewäh lt. Die wirk sam e Län ge der knö chernen Ab stüt zun g betrug 20 mm. Die i. a . dünn e Knochen zementschicht, die aufgründ ihrer geringen Dicke und des im Vergleich zur Prot hese 20fa ch geringeren E-Moduls auf die Steifigkeit der Prothese prak tisch keinen Einfluß hat , wurde vernac hlässigt. Die Belastung des T ibiaplatea us erfo lgte im Rahmen der Simul ati on a n jeweils 5 Knot en a n den medial en bzw, lat eralen Lasteinleitungspunkten bei 10 0 Flexion parabolförmig verteilt. Es wurde eine doppelseitige Belastung unt er Berücksichti gung des Körpermom entes (7) an genommen. Dab ei ergibt ein Körpermoment um die dorso-ven trale Achse von 45,S Nm be i eine r La steinleitung von insgesam t 2275 N und einem kons truktiv vorgegebenen Hebela rm des vorliegenden Ti biapl a tea us mittl erer G röß e von 47 mm eine lat erale Kra fteinleitu ng von 202 N und eine med iale Lasteinleitung von 2073 N.
Alle Berechnungen wur den unt er Verwendung des Finite-Elemente-P rog ramms COSMOS durchgefü hrt.
Ergebnisse In den Abb. 2- 5 sind jeweils die Au fsichten a uf da s knö cherne Lager dar gestellt. Bereiche gleicher Dru ck- und Zugspa nnungen fü r die durchgerechn eten Fä lle sind durch die gleiche Schra ffur gekennzeichnet. Negative Werte bedeuten eine Einlei tun g von Zugspannungen, positive Werte eine Ein leitung von Druck spannurigen in da s knöc he rne Lager. Die Dimension der in den Abbildungen ang egeben en Werte ist Nzrnm ' . Abb. 2 zeigt die Spannungsverteilun g im knöchernen Lager bei allseitiger kor tik aler Randauflage der Prothese. Während es im lat era len Kompart iment zu keiner wesentlichen Einleitung von Zugspa nnungen in da s knöchern e Lager kommt, werden im media len Bereich relat iv gro ße Zugspannungen eingeleitet, die a ber in der Nä he eben falls relativ großer Dru ckspannungsbereiche liegen. Bei rein spongiöser Ab stützun g des Tibiaplateaus infolge einer allseits zu klein gewä hlte n Pr oth ese (Abb . 3) finden sich nur relati v kleine Zugspa nn ungsberei-
IIIDJ
" Abb . 4 Laterale kortikale Randabstützung und med iale spon giöse Abstützung infolge eines geringgradig zu klein gewählten und einer lateral implantierten Prothese . Angegebene Spannungen in N /mm 2 , wobe i negative Werte Zugspannungen, positive Werte Oruckspannungen bedeuten
lIIIIID
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Die Belastung des knöchernen Lagers des Tibiaplateaus beim kompletten Gelenkflächenersatz - eine Finite-Elemente-Analyse V. Jansson
Z usam me nfassung Bei Verwendung eine r bik ondylären Knie schlittenp rothese komm t der Belastung des kn öch er nen Lager s besonder e Bed eutung zu . Für ein Tibiaplateaudesign , da s aufg ru nd verbesse rter anatomischer For mgeb u ng di e all seit s kortikale Rand auflage der Prothese erm öglich t, wurd e mi t Hil fe eine r Finit e-El em en te-Analyse die Bela stung des knöcherne n Lager s bei verschied enen Implant ationsbedingungen ber echnet. Interessan terweise zeigt sich da bei, daß es unabhä ngig von de r Art der ko rt ik al en Randab stü tzung d er P ro these imm er auch zu ein er Z ugbelast u ng in d er G renzschicht Prothese/ Kn o ch en kommt. Bei allseitiger kortikaler Randauflage d er Prothese finden sich di e Zugs pann ungs be reiche in d er Nä he relativ gro ße r Dru ck sp annungsber eich e. Bei nur m edi a ler kortik al er Randauflage der Pro these info lge eines zu klein gewählten Tibi a plateau s ergebe n sich n ur geri nggrad ige Änd erungen der Sp a nnu ngsverte ilu ngen . Bei nur later aler kortikal er Ab stützung d er P rothese jed o ch kommt es im lat er alen Plat eauber eich zu einer relati v gro ß flä chigen Einleitu ng vo n Zugspan nu ngen in das kn ö ch erne La ger . Da die Einleitu ng vo n Zugspannungen a m Int er face Prothese/Kn och en a ls unphysiologisch und so m it un gün stig a ngesehen werde n mu ß , so llte d ah er bei int ra o perativ nicht m öglich er all seiti ger kortikaler Randauflage de r P ro th ese die medi ale Auflage des T ib iaplat eaus zu La sten der lateralen Auflage angestreb t werd en .
Einleitung Die Bela stung d es Hüft gelenkes läßt sich mi t eine r Kraft , näm lich d er Hü ftr esul tier end en (15), besch reiben . Am Knie gelenk ist die Situatio n kom plizierter: Zw ei Kr ä ft e, nämli ch die Druckkrä ft e unt er den beid en Femurkondyli, bela sten das Tibi aplateau , wo bei die m ed iale Komponente info lge de s Körpermom entes (7) die stär kere ist. Bei dem reinen Gelenkfläch enersat z m it zusam m en hä ngend er me d ia ler und lateral er Gelenk fläc he können aus d iesen besonderen mech ani sch en Verhältnissen Pr oblem e entste he n , di e zu r Au slockerung der lat er aZ . O rt hoc . 129 (1991) 389-3 92 © 199 1 F. Enke Verlag Sruugan
Mech ani cal stress d istrib utio n in th e üb lal bon e in to ta l kn ee repl acement - a finite eleme nt stu dy For an un constra ined bicond ylar sled ge kn ee prosth esis th e me ch an ica l lo ad of the bony su ppo rt ist crucial. For a d esign of a tibi al co m ponen t of suc h a p ro sthesis wit h imp ro ved an at omical fea tures allo wing a com plete co rt ical su pport o f th e rim of the p ro sthesis, a fini te element study wa s perfo rm ed. Stre ss reacti on s o f the bone for d iff erent im plant ati on modes were calculated. Irresp ecti ve o f t he bo ny su p po rt of th e p ro sthesis, ten sile stresses a re alway s tra nsferre d at th e int erface prosthesis/bone into the bon e. For a com plete co rtica l su p po rt of th e rim o f pro st hesis, the areas o f ten sile st ress in the bone ar e clo sely rel ated to area s o f high co mp ressio n stress . If th er e is co rtica l su ppo rt of the pr o sth esis o nly on th e med ial side due to an u nd er sized p ro sthesis, thi s is onl y o f min o r influen ce on th e stress pattern in th e bone. Ho wever , if there is co rtical su p po rt o f the p ro sthesis only o n the lateral side , there are large ar ea s o f tensile stresses in th e later al co m pa rtme nt o f the tibia l plat eau . H owever , ten sile st ress tr an sfer in th e tibia l plat ea u mu st be regarded a s u nph ysiologic a nd th erefore unfa vou rable. Ther ef ore, if intra o perativly com plete co rt ica l sup po rt o f the p ro st hesis can not be achie ved a more medi al co rt ical su ppo rt of suc h a p ro sth esis sho uld be pr eferred to a lat era l co rtic al sup po rt .
Jen od er medi alen Seite führ en und in un gün stigen Fä llen soga r zu m Bru ch de r T ibiak ompon ent e führ en können (12) . In (12) wurde bereits als m öglich er Au slock erungsmechanismu s di e Einleit ung vo n Z ugspa n nungen in da s kn öch erne Lager als m öglich e Lock erungsursa ch e d isku tier t . Au ch Paganelli u . M ilarb. (14) zeigten mit Hil fe einer Fini te-E lemente-Studie die prinzipi elle me chanisch e Problematik ein es zusa m men hä ngende n T ibiap lateau s a uf; schon die Interpo sition eine s I mm d icken fibr ö sen Gew ebes zwischen Knoch en und Impl antat führt bei so lchera rt gestaltete n Prothesen bei un günsti ger Belastungss ituation zu m Dau erbruch d er Ti bi akomponente (14). Au ch in m ehreren anderen Arbeiten (6, 7 , 13, 19, 20)
Dieses Dokument wurde zum persönlichen Gebrauch heruntergeladen. Vervielfältigung nur mit Zustimmung des Verlages.
O rth o pä dische Klinik im Klinikum Großhade rn der Lud wig-Maxirnilians-Universit ät M ünchen (Direktor: Pro f. Dr. med . H . J . Refior)
Z. Orthop. 129 (1991)
werde n Kon stru ktion sbrüche des Tib iapl at eau s beim tot alern Kniegelen ksersat z a ls Au sdruck der schwierigen mecha nischen Belastung beschrieben. Du rch ein verbesse rtes Tibiaplat eaudesign mit verbesserter a natomischer Formgebung ka nn eine bessere ko rtikale Ra nd aufl age der P rothese err eicht werde n. Mit Hi lfe einer Finite-Elemente-An alyse so ll die Belastung des knöchern en Lagers für ein solcherart gestaltetes Prothesendesign unte r verschie de nen Impl a ntationsbedingu ngen mit jeweils unte rschiedlicher knöc herne r A bstützung berechnet und auf die Spa nnu ngsverteilung im knöche rnen Lager hin untersucht werden .
V. Jansson
Es wurde zunäc hst die ideale Impl antati on im Sinne einer allseitigen kortikalen Rand aufl age durchgerechnet. Danach wurden verschiedene Fälle möglich er Fehl impl ant ationen im Sinne zu klein gewählter Prothesen betrachtet. Dabei wurd e sowo hl de r Fall des a llseits zu kleinen Plat eau s mit nur spongiöser Ab stü tzun g als a uch der Fall eines teilweise zu klein gewä hlte n Mod ells mit unvollständiger und zwa r einseitiger lateraler bzw. medialer korti kaler Randa bst ützu ng berec hn et. Bei der Au swertung der im knöc hernen Lager einge leitete n Spa nnungen wurden 4 Bereiche unterschieden. Negative \Verte bedeuten eine Einleitung von Zugspannungen , positive Werte eine Einleitung von Druckspannungen in da s knöchern e Lager.
Materia l und Methode In dem verwendeten Finite-Elem ente-A ufbau wu rde der Pr othesen körper aus isoparamet rischen Volumenelemen ten a ufgebaut (Ab b . I). Unte r die P ro th ese wurde eine einschic htig e Schicht aus Volumenelementen gelegt, da s der Stei figkeit des spongiösen bzw, kor ti kalen Knochen s ent spricht und zur Simul ati on von Dru ckund Zugspa nnung geeignet ist. Für die Bestimmung des EModuls der Tibiakop fspon giosa liegen verschiedene Anga ben vor ( 1,2, 11,21). Es wurde schließlich ein E-Modul für die Kortikalis von 20000 Nlm ' und für die Spongiosa ein E-Mo dul von 150 Nimm ' gewäh lt. Die wirk sam e Län ge der knö chernen Ab stüt zun g betrug 20 mm. Die i. a . dünn e Knochen zementschicht, die aufgründ ihrer geringen Dicke und des im Vergleich zur Prot hese 20fa ch geringeren E-Moduls auf die Steifigkeit der Prothese prak tisch keinen Einfluß hat , wurde vernac hlässigt. Die Belastung des T ibiaplatea us erfo lgte im Rahmen der Simul ati on a n jeweils 5 Knot en a n den medial en bzw, lat eralen Lasteinleitungspunkten bei 10 0 Flexion parabolförmig verteilt. Es wurde eine doppelseitige Belastung unt er Berücksichti gung des Körpermom entes (7) an genommen. Dab ei ergibt ein Körpermoment um die dorso-ven trale Achse von 45,S Nm be i eine r La steinleitung von insgesam t 2275 N und einem kons truktiv vorgegebenen Hebela rm des vorliegenden Ti biapl a tea us mittl erer G röß e von 47 mm eine lat erale Kra fteinleitu ng von 202 N und eine med iale Lasteinleitung von 2073 N.
Alle Berechnungen wur den unt er Verwendung des Finite-Elemente-P rog ramms COSMOS durchgefü hrt.
Ergebnisse In den Abb. 2- 5 sind jeweils die Au fsichten a uf da s knö cherne Lager dar gestellt. Bereiche gleicher Dru ck- und Zugspa nnungen fü r die durchgerechn eten Fä lle sind durch die gleiche Schra ffur gekennzeichnet. Negative Werte bedeuten eine Einlei tun g von Zugspannungen, positive Werte eine Ein leitung von Druck spannurigen in da s knöc he rne Lager. Die Dimension der in den Abbildungen ang egeben en Werte ist Nzrnm ' . Abb. 2 zeigt die Spannungsverteilun g im knöchernen Lager bei allseitiger kor tik aler Randauflage der Prothese. Während es im lat era len Kompart iment zu keiner wesentlichen Einleitung von Zugspa nnungen in da s knöchern e Lager kommt, werden im media len Bereich relat iv gro ße Zugspannungen eingeleitet, die a ber in der Nä he eben falls relativ großer Dru ckspannungsbereiche liegen. Bei rein spongiöser Ab stützun g des Tibiaplateaus infolge einer allseits zu klein gewä hlte n Pr oth ese (Abb . 3) finden sich nur relati v kleine Zugspa nn ungsberei-
IIIDJ
" Abb . 4 Laterale kortikale Randabstützung und med iale spon giöse Abstützung infolge eines geringgradig zu klein gewählten und einer lateral implantierten Prothese . Angegebene Spannungen in N /mm 2 , wobe i negative Werte Zugspannungen, positive Werte Oruckspannungen bedeuten
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