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Z Orthop Unfall 2014; 152(6): 603-615
DOI: 10.1055/s-0034-1383221
Originalarbeit
Georg Thieme Verlag KG Stuttgart · New York

Evaluierung von biomechanischen Modellen zur Therapieplanung für die Hüftendoprothesenversorgung – direkter Vergleich zwischen Berechnungsergebnissen und In-vivo-Messungen

Evaluation of Biomechanical Models for Therapy Planning of Total Hip Arthroplasty – Direct Comparison of Computational Results with In Vivo Measurements
J. Eschweiler
1   Lehrstuhl für Medizintechnik, Helmholtz-Institut für Biomedizinische Technik, RWTH Aachen
2   Klinik für Orthopädie, Universitätsklinikum der RWTH Aachen
,
M. Asseln
1   Lehrstuhl für Medizintechnik, Helmholtz-Institut für Biomedizinische Technik, RWTH Aachen
,
P. Damm
3   Julius Wolff Institut, Charité – Universitätsmedizin Berlin
,
V. Quack
2   Klinik für Orthopädie, Universitätsklinikum der RWTH Aachen
,
B. Rath
2   Klinik für Orthopädie, Universitätsklinikum der RWTH Aachen
,
G. Bergmann
3   Julius Wolff Institut, Charité – Universitätsmedizin Berlin
,
M. Tingart
2   Klinik für Orthopädie, Universitätsklinikum der RWTH Aachen
,
K. Radermacher
1   Lehrstuhl für Medizintechnik, Helmholtz-Institut für Biomedizinische Technik, RWTH Aachen
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Publication Date:
22 December 2014 (online)

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Zusammenfassung

Eine Berücksichtigung der individuellen biomechanischen Verhältnisse im Hüftgelenk stellt einen großen Vorteil im Kontext der Planung einer Hüftgelenkstotalendoprothese dar und kann das Ergebnis des Eingriffs positiv beeinflussen. Zum jetzigen Zeitpunkt erfolgt die Operationsplanung basierend auf dem klinischen Status des individuellen Hüftgelenks sowie dem röntgenologischen Befund. In der Literatur sind unterschiedliche Ansätze beschrieben, um zusätzliche Informationen aus Röntgenbildern zu akquirieren und als Eingabeparameter in Modellrechnungen zu überführen, die eine näherungsweise Berechnung der resultierenden Hüftgelenkskraft R zum Ziel haben. Vergleichende Untersuchungen im Rahmen der vorliegenden Arbeit zeigen, dass sich bei der Berechnung der Amplitude der resultierenden Hüftgelenkskraft R mittels der biomechanischen Modelle von Pauwels, Debrunner und Iglič akzeptable Ergebnisse im Vergleich zu In-vivo-Messungen mit instrumentierten Prothesen ergeben. Lediglich das Modell von Blumentritt zeigte deutlich abweichende resp. höhere Werte. Die Berechnungsergebnisse für die Orientierung von R zeigten eine große Variabilität. Die Ergebnisse waren mehr vom jeweiligen biomechanischen Modell abhängig als von patientenspezifischen Parametern.

Abstract

A consideration of the patient-specific biomechanical situation in the context of the surgical planning of total hip arthroplasty is highly recommended and may have a positive impact on the therapeutic outcome. In current clinical practice, surgical planning is based on the status of the individual hip and its radiographic appearance. Several authors proposed different biomechanical modeling approaches for the calculation of the resultant hip force R on the basis of parameters gathered from plain radiography. The comparative study presented in this paper shows that the biomechanical models by Pauwels, Debrunner, Blumentritt and Iglič provide a good approximation of the magnitude of R when compared to the in vivo data from instrumented prostheses. In contrast, the Blumentritt model resulted in abnormally high values. However, the computational results for the orientation of R show a high variability of all modeling approaches and seem to depend more on the model used than on patient-specific parameters.

Schlüsselwörter

Therapieplanung - Hüftendoprothese - Biomechanik - modellbasiert

Key words

therapy planning - hip joint prosthesis - biomechanics - models
 

  • Literatur

  • 1 Hahn F, Dora C. Hüftendoprothese und Sport. SZSS 2006; 54: 13-17
    PubMedGoogle Scholar
  • 2 Statistisches Bundesamt. Die 50 häufigsten Operationen der vollstationären Patientinnen und Patienten in Krankenhäusern. Im Internet:. http://www.gbe-bund.de/oowa921-install/servlet/oowa/aw92/dboowasys921.xwdevkit/xwd_init?gbe.isgbetol/xs_start_neu/&p_aid=3&p_aid=64903931&nummer=666&p_sprache=D&p_indsp=-&p_aid=98382893 Stand: 16.09.2013
    PubMedGoogle Scholar
  • 3 Leichtle U, Gosselke N, Wirth C et al. Radiologische Evaluation der Variationsbreite der Pfannenpositionierung bei konventioneller Hüftendoprothesenversorgung. Fortschr Röntgenstr 2007; 179: 46-52
    Article in Thieme ConnectPubMedGoogle Scholar
  • 4 Widmer K. Die Hüfttotalendoprothese – Rekonstruktion der Biomechanik des Hüftgelenks. Articularis 2006; 3: 15-18
    PubMedGoogle Scholar
  • 5 Carls J, Wirth CJ, Börner C et al. Änderung der Biomechanik dysplastischer Hüftgelenke durch Implantation einer Hüfttotalendoprothese. Z Orthop Ihre Grenzgeb 2002; 140: 527-532
    Article in Thieme ConnectPubMedGoogle Scholar
  • 6 Rübberdt A, Wich M, Mutze S. Digitale präoperative Planung von Hüftgelenkendoprothesen. Trauma Berufskrankh 2003; 5: 315-321
    CrossrefPubMedGoogle Scholar
  • 7 Krukemeyer MG Hrsg. Endoprothetik. Ein Leitfaden für den Praktiker. 3. Aufl.. Berlin: de Gruyter; 2013
    Google Scholar
  • 8 Hamacher P, Roesler H. Die Berechnung von Grösse und Richtung der Hüftgelenksresultierenden im Einzelfall. Arch Orthop Unfallchir 1971; 70: 26-35
    CrossrefPubMedGoogle Scholar
  • 9 Thomas W, Schug M. Über die Bedeutung der Position der Endoprothesenpfanne aus biomechanischer und klinischer Sicht–Vorschlag einer Klassifizierung. Biomed Tech (Berl) 1994; 39: 222-226
    CrossrefPubMedGoogle Scholar
  • 10 Pauwels F. Der Schenkelhalsbruch, ein mechanisches Problem; Grundlagen des Heilungsvorganges, Prognose und kausale Therapie. Stuttgart: Enke; 1935
    Google Scholar
  • 11 Pauwels F. Gesammelte Abhandlungen zur funktionellen Anatomie des Bewegungsapparates. Berlin: Springer; 1965
    CrossrefGoogle Scholar
  • 12 Pauwels F. Atlas zur Biomechanik der gesunden und kranken Hüfte, Prinzipien, Technik und Resultate einer kausalen Therapie. Berlin, Heidelberg, New York: Springer; 1973
    CrossrefGoogle Scholar
  • 13 Debrunner HU. Biomechanics of the hip joint. I. A new model for the calculation of the forces in the hip joint. Z Orthop Ihre Grenzgeb 1975; 113: 377-388
    PubMedGoogle Scholar
  • 14 Blumentritt S. Die Beziehung zwischen dem Gang des Menschen und dem Hüftgelenkaufbau in der Frontalebene. Gegenbaurs Morphol Jahrb 1990; 136: 677-693
    PubMedGoogle Scholar
  • 15 Blumentritt S. Biomechanische Bauprinzipien des menschlichen Hüftgelenkes in der Frontalebene. Gegenbaurs Morphol Jahrb 1988; 134: 221-240
    PubMedGoogle Scholar
  • 16 Iglič A, Srakar F, Antolic V et al. Mathematical analysis of Chiari osteotomy. Acta Orthop Jugosl 1990; 20: 35-39
    PubMedGoogle Scholar
  • 17 Iglič A, Srakar F, Antolic V. Influence of the pelvic shape on the biomechanical status of the hip. Clin Biomech (Bristol, Avon) 1993; 8: 223-224
    CrossrefPubMedGoogle Scholar
  • 18 Iglic A, Daniel M, Kralj-Iglic V et al. Peak hip joint contact stress in male and female populations. J Musculoskelet Res 2001; 5: 17-21
    CrossrefPubMedGoogle Scholar
  • 19 Iglic A, Kralj-Iglic V, Daniel M et al. Computer determination of contact stress distribution and size of weight bearing area in the human hip joint. Comput Methods Biomech Biomed Engin 2002; 5: 185-192
    CrossrefPubMedGoogle Scholar
  • 20 Bergmann G, Deuretzbacher G, Heller M et al. Hip contact forces and gait patterns from routine activities. J Biomech 2001; 34: 859-871
    CrossrefPubMedGoogle Scholar
  • 21 Bergmann G, Graichen F, Rohlmann A. Hip joint contact forces during stumbling. Langenbecks Arch Surg 2004; 389: 53-59
    CrossrefPubMedGoogle Scholar
  • 22 English TA, Kilvington M. In vivo records of hip loads using a femoral implant with telemetric output (a preliminary report). J Biomed Eng 1979; 1: 111-115
    CrossrefPubMedGoogle Scholar
  • 23 Stansfield BW, Nicol AC, Paul JP et al. Direct comparison of calculated hip joint contact forces with those measured using instrumented implants. An evaluation of a three-dimensional mathematical model of the lower limb. J Biomech 2003; 36: 929-936
    CrossrefPubMedGoogle Scholar
  • 24 Taylor SJ, Perry JS, Meswania JM et al. Telemetry of forces from proximal femoral replacements and relevance to fixation. J Biomech 1997; 30: 225-234
    CrossrefPubMedGoogle Scholar
  • 25 Taylor SJ, Walker PS, Perry JS et al. The forces in the distal femur and the knee during walking and other activities measured by telemetry. J Arthroplasty 1998; 13: 428-437
    CrossrefPubMedGoogle Scholar
  • 26 Damm P, Graichen F, Rohlmann A et al. Total hip joint prosthesis for in vivo measurement of forces and moments. Med Eng Phys 2010; 32: 95-100
    CrossrefPubMedGoogle Scholar
  • 27 Johnston RC, Brand RA, Crowninshield RD. Reconstruction of the hip. A mathematical approach to determine optimum geometric relationships. J Bone Joint Surg Am 1979; 61: 639-652
    PubMedGoogle Scholar
  • 28 Eschweiler J, Fieten L, DellʼAnna J et al. Application and evaluation of biomechanical models and scores for the planning of total hip arthroplasty. Proc Inst Mech Eng H 2012; 226: 955-967
    PubMedGoogle Scholar
  • 29 Eschweiler J, Asseln M, Damm P et al. Evaluation of biomechanical models for the planning of total hip arthroplasty (THA). Bone Joint J 2013; 95: 12
    PubMedGoogle Scholar
  • 30 Asseln M, Eschweiler J, Damm P et al. Evaluation of biomechanical models for the planning of total hip arthroplasty. Biomed Tech (Berl) 2013; 58: 2
    PubMedGoogle Scholar
  • 31 Hashimoto N, Ando M, Yayama T et al. Dynamic analysis of the resultant force acting on the hip joint during level walking. Artif Organs 2005; 29: 387-392
    CrossrefPubMedGoogle Scholar
  • 32 Brand RA, Pedersen DR, Davy DT et al. Comparison of hip force calculations and measurements in the same patient. J Arthroplasty 1994; 9: 45-51
    CrossrefPubMedGoogle Scholar
  • 33 Bergmann G, Graichen F, Rohlmann A. Hip joint loading during walking and running, measured in two patients. J Biomech 1993; 26: 969-990
    CrossrefPubMedGoogle Scholar
  • 34 Davy DT, Kotzar GM, Brown RH et al. Telemetric force measurements across the hip after total arthroplasty. J Bone Joint Surg Am 1988; 70: 45-50
    PubMedGoogle Scholar
  • 35 Kotzar GM, Davy DT, Goldberg VM et al. Telemeterized in vivo hip joint force data: a report on two patients after total hip surgery. J Orthop Res 1991; 9: 621-633
    CrossrefPubMedGoogle Scholar
  • 36 Brand RA. Hip osteotomies: a biomechanical consideration. J Am Acad Orthop Surg 1997; 5: 282-291
    PubMedGoogle Scholar
  • 37 DellʼAnna J, Fieten L, Eschweiler J et al. Sensitivitätsanalyse eines biomechanischen Scores zur Pfannenpositionierung bei einer Totalen Hüft-Arthroplastie. In: Proceedings BMT 2010, 44. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Biomedizinische Technik. 3-Länder-Tagung D-A-CH Rostock; Kongresszentrum Hohe Düne, Rostock-Warnemünde. Biomed Tech 2010; 55 (Suppl. 01)
    PubMedGoogle Scholar
  • 38 DellʼAnna J, Fieten L, Eschweiler J et al. Sensitivity Analysis of a biomechanical Score for Cup Positioning in Total Hip Arthroplasty. 10th Meeting of CAOS International: 10th Meeting of CAOS International. 2010
    Google Scholar
  • 39 Henninger HB, Reese SP, Anderson AE et al. Validation of computational models in biomechanics. Proc Inst Mech Eng H 2010; 224: 801-812
    CrossrefPubMedGoogle Scholar
  • 40 Amtmann E, Kummer B. Die Beanspruchung des menschlichen Hüftgelenks, Herren Prof. Dr. D. Strack zum 60. Geburtstag gewidmet. Köln: Anatomisches Institut der Universität. Zeitschrift für Anat Entwick 1968; 127: 286-314
    PubMedGoogle Scholar
  • 41 Bombelli R. Osteoarthritis of the Hip, Classification and Pathogenesis: the Role of Osteotomy as a consequent Therapy. 2.. Aufl. Berlin, New York: Springer; 1983
    Google Scholar
  • 42 Brinckmann P, Frobin W, Hierholzer E. Stress on the articular surface of the hip joint in healthy adults and persons with idiopathic osteoarthrosis of the hip joint. J Biomech 1981; 14: 149-156
    CrossrefPubMedGoogle Scholar
  • 43 Genda E, Iwasaki N, Li G et al. Normal hip joint contact pressure distribution in single-leg standing–effect of gender and anatomic parameters. J Biomech 2001; 34: 895-905
    CrossrefPubMedGoogle Scholar
  • 44 Tschauner C, Hofmann S, Czerny C. Hüftdysplasie. Morphologie, Biomechanik und therapeutische Prinzipien unter Berücksichtigung des Labrum acetabulare. Orthopäde 1997; 26: 89-108
    CrossrefPubMedGoogle Scholar
  • 45 Götz-Neumann K. Gehen verstehen: Ganganalyse in der Physiotherapie. Stuttgart: Georg Thieme; 2011
    Google Scholar
  • 46 Stansfield BW, Nicol AC. Hip joint contact forces in normal subjects and subjects with total hip prostheses: walking and stair and ramp negotiation. Clin Biomech (Bristol, Avon) 2002; 17: 130-139
    CrossrefPubMedGoogle Scholar
  • 47 Herman S, Kralj-Iglic V, Iglic A et al. Biomechanical analysis of Chiari osteotomy. Cell Mol Biol Lett 2002; 7: 365-366
    PubMedGoogle Scholar
  • 48 Dostal WF, Andrews JG. A three-dimensional biomechanical model of hip musculature. J Biomech 1981; 14: 803-812
    CrossrefPubMedGoogle Scholar
  • 49 Heller MO, Bergmann G, Kassi J et al. Determination of muscle loading at the hip joint for use in pre-clinical testing. J Biomech 2005; 38: 1155-1163
    CrossrefPubMedGoogle Scholar