Belastung von Knieendoprothesen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Georg Bergmann
• Fachliche Zuordnung: Orthopädie, Unfallchirurgie, rekonstruktive Chirurgie
• Förderung: Förderung von 2011 bis 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 170688479

• Erstellungsjahr: 2016

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Ziel des Forschungsprojekts war es, das Grundlagenverständnis zur Belastung des Kniegelenks zu verbessern und Einflussfaktoren auf die Gelenkbelastung anhand eines Kollektivs von 9 Patienten mit instrumentierten Knieendoprothesen zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen, dass das Kniegelenk schon im Alltag hohen Belastungen ausgesetzt ist und einzelne Lastkomponenten deutlich höher sind als die, die zurzeit in der präklinischen Testung von Implantaten verwendet werden. Der einmalige Datensatz aller sechs Lastkomponenten sowie des synchronen Knieflexionswinkel kann nun genutzt werden um Knieprothesen unter realistischen Bedingungen zu testen. Weiterhin zeigte sich, dass die medio‐laterale Kraftverteilung stark von der mechanischen Beinachse der Patienten abhängt. Während die Varus‐Stellung eine einseitige Belastung des medialen Kompartments zur Folge hat, führt eine leichte Valgus‐Stellung eher zu einer gleichmäßigen Kraftverteilung. Intra‐operativ sollten daher insbesondere Varus‐Fehlstellungen vermieden werden um eine einseitige Belastung und damit einhergehenden erhöhten Verschleiß bzw. mechanisch induzierte Lockerungen zu vermeiden. Die Untersuchung sportlicher Aktivitäten bestätigt, dass das Fahrradfahren eine gelenkschonende Aktivität ist. Allerdings kann die Belastung durch Leistung, Geschwindigkeit und Sitzhöhe modifiziert werden. Diese Informationen sollten bspw. auch in der Rehabilitation nach Knie TEP, gelenknahen Frakturen oder bei Arthrose berücksichtigt werden. Auch das Vibrationstraining führte zu geringeren Kräften im Gelenk als beim Gehen. Somit stellt es bezüglich der Höhe der Belastung keine Gefahr für das Gelenk dar. Unklar ist dagegen, welchen Einfluss die Belastung in Kombination mit der hohe Frequenz auf Knochen, Knorpel oder die Verankerung von Endoprothesen im Knochen hat. Die Studie „Die Belastung des Knie‐ und Hüftgelenks beim Vibrationstraining“ wurde mit dem “Best Experimental Study Award“ auf der 8. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Biomechanik ausgezeichnet. Weiterhin weisen erste Ergebnisse darauf hin, dass die Gelenkbelastung beim Nordic Walking im Vergleich zum Gehen ohne Stöcke nicht reduziert wird. Tatsächlich kam es bei der klassischen Nordic Walking Technik zu einer leichten Erhöhung der Kräfte. Insgesamt liegt die Belastung beim Nordic Walking aber deutlich unter denen, welche bspw. beim Joggen oder Fußball spielen auftreten. Somit kann das Nordic Walking ebenfalls als gelenkschonende sportliche Aktivität eingestuft werden. Indirekte Messmethoden der Gelenkbelastung sind notwendig, um die Belastung nicht nur bei Patienten mit instrumentierten Implantaten, sondern auch in einem größeren Kollektiv von gesunden Probanden, Patienten mit Arthrose, Frakturen oder mit Standard Endoprothesen untersuchen zu können. Unsere Ergebnisse zeigen, dass das externe Knieadduktionsmoment EAM, welches mittels Ganganalyse und indirekter Dynamik erfasst werden kann, ein klarer Prädiktor für die medio‐laterale Kraftverteilung im Kniegelenk ist. Somit können Fragestellungen zur Lastverteilung und zur Verschiebung dieser Last bspw. mittels orthopädischer Hilfsmittel auch in anderen Patientengruppen untersucht werden. Einschränkend ist jedoch zu betonen, dass die Vorhersagekraft des EAM auf die Höhe der medialen Kraft begrenzt ist. Insbesondere geänderte Gangmuster, die eine erhöhte Muskelkokontraktion hervorrufen, können die Gesamtkraft im Gelenk deutlich erhöhen und somit die mediale Kontaktkraft erhöhen auch wenn eine Verschiebung ins laterale Kompartment erfolgt. Nach Publikation der Ergebnisse in Fachzeitschriften wurden ausgewählte Beispiele der verschiedenen Aktivitäten in der Datenbank „Orthoload“ veröffentlicht und stehen somit der Allgemeinheit zur Verfügung. Insbesondere der Datensatz „Standardlasten“ kann dort heruntergeladen werden und für die Implantat Testung, Finite Element Analysen oder die Berechnung mittels muskuloskelettaler Rechenmodelle herangezogen werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Influence of leg alignment on mediolateral loading in TKR – in‐vivo measurements in five patients. Journal of Bone and Joint Surgery Am. 2012;94:1023‐9
  Halder A, Kutzner I, Graichen F, Heinlein B, Beier A, Bergmann G
  
• Loading of the Knee Joint during Ergometer Cycling: Telemetric in vivo Data. Journal of Orthopaedic & Sports Physical Therapy. 2012;42(12):1032‐8
  Kutzner I, Heinlein B, Graichen F, Rohlmann A, Halder A, Beier A, et al.
  
• Knee Adduction Moment and Medial Contact Force ‐ Facts about Their Correlation during Gait. Plos One. 2013;8(12):e81036
  Kutzner I, Trepczynski A, Heller MO, Bergmann G
  
• The influence of footwear on knee joint loading during walking ‐ in vivo load measurements with instrumented knee implants. Journal of Biomechanics. 2013;46(4):796‐800
  Kutzner I, Stephan D, Dymke J, Bender A, Graichen F, Bergmann G
  
• Modulation of the relationship between external knee adduction moments and medial joint contact forces across subjects and activities. Arthritis & Rheumatology (Hoboken, NJ). 2014;66(5):1218‐27
  Trepczynski A, Kutzner I, Bergmann G, Taylor WR, Heller MO
  
• Standardized loads acting in knee implants. PLoS One. 2014;9(1):e86035
  Bergmann G, Bender A, Graichen F, Dymke J, Rohlmann A, Trepczynski A, et al.