Optimization of Soft-Tissue Balancing for Total-Knee Arthroplasty
Final Report Abstract
Gegenstand des Forschungsprojektes ist die Darlegung von Funktionen und Mechanisemen des Weichteilmantels des Knies im Hinblick auf das Weichteilmagaement in der Totalkniearthroplastik. Über drei verschiedene methodische Ansätze konnten in diesem Zusammenhang neue Erkenntnisse erarbeitet werden.Im Rahmen des Projektes konnte ein neuer Roboter basierter biomechanischer Prüfstand erfolgreich in Betrieb genommen werden. Das Projekt liefert basierend auf analysen des natürlichen Kniegelenkes quantitative Richtlinien für das soft-tissue Balancing und beschreibt die Anpassungsfähigkeit der Kniegelenksnachgiebigkeit durch Adaption einzelner Weichteilstrukturen. Desweiteren bilden Untersuchungen im Rahmen des Projektes die Grundlage für ein numerisches Werkzeug um die Funktion der Kniebänder besser zu verstehen und in Zukunft das Weichteilbalancing auch pre-operativ besser planen zu können. Die im Projekt quantifizierte Asymmetrie der Weichteilstrukturen und die starke Abhängigkeit der Gelenknachgiebigkeit vom Beugewinkel verdeutlicht die komplexe Konstruktion und biomechanische Funktion des Kniegelenkes. Diese wird im mechanischen Alignment und den damit assoziierten Balancing Techniken die darauf abzielen einen symmetrischen und gleichen Gelenkspalt in Flexion und Extension zu erhalten, nicht berücksichtigt. Aus den gewonnenen Daten lässt sich der Schluss ziehen, dass mit einer Technik wie dem Gap Balancing die Nachgiebigkeit des Gelenkes stark verändert wird, was möglicherweise zu einer unnatürlichen Gelenkfunktion besonders in mid-flexion führt, und zur mangelnden Funktion des Gelenkersatzes beiträgt. Im Rahmen dieses Projektes konnte zudem ein numerisches Kniemodell entwickelt werden, mit dem die Nachgiebigkeit des Kniegelenkes unter Anwendung der Mehrkörperdynamik simuliert werden kann. Die auf radiale Basisfunktionen basierte Morphingmethode zur Schätzung der Bandansatzpunkte, welche in das Modell integriert wurde stellt eine robuste Methode dar. Sie ermöglicht eine gute Schätzung der Bandansätze bei wesentlich geringerem Aufwand gegenüber einer manuellen Segmentierung der Ansätze aus MRT Daten. Das angewandte Kontaktmodell ermöglicht insgesamt eine überzeugende Nachbildung der Bewegung innerhalb des Gelenkes führt aber auch zu einem insegsamt instabilen Modell, so dass in einigen Situationen kein Ergebnis berechnet werden kann. Die Modellierung der Bänder und deren Kalibrierung ermöglichen eine gute Schätzung der Glenknachgiebigkeit für niedrige Flexionswinkel. Um eine realistische Nachgiebigkeit des Gelenkes über den gesamten Flexionsumfang des Kniegelenkes zu ermöglichen ist womöglich eine komplexere Modellierung der Bänder und eine adaptierte Kalibrierung einzelner Bündel innerhalb eines modellierten Bandes notwendig.
Publications
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Evaluation of a non-linear morphing method for patient-specific musculoskeletal models, Word Congress of Biomechanics, 2018
Michael Schwarze, Irene Alfred, Christof Hurschler
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Accuracy and sensitivity analysis of a radial basis function based morphing algorithm for ligament attachment site prediction of the human knee joint in multi body modeling. Tagung der Deutschen Gesellschaft für Biomechanik. 2019
Manuel Ferle, Christof Hurschler, Michael Schwarze
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The Laxity of the Native Knee: A Meta-Analysis of in Vitro Studies. The Journal of Bone and Joint Surgery. 2019;101:1119–1131
Ferle M, Guo R, Hurschler C
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The Soft-Tissue Restraints of the knee and its balancing capacity in total knee arthroplasty procedures. Dissertationsschrift, Leibniz Universität Hannover. xvi, 134, XXV S.
Manuel Ferle
