Computerbasierte dynamische Funktionsanalyse des endoprothetisch versorgten humanen Kniegelenks mittels muskuloskelettaler Mehrkörpersimulation

Die Vermeidung von Komplikationen nach Implantation eines künstlichen Kniegelenks erfordert ein umfassendes biomechanisches Verständnis der Einflussfaktoren zum Implantatdesign und dessen Positionierung. Im Rahmen der Arbeit wurde eine computerbasierte Funktionsanalyse des endoprothetisch versorgten Kniegelenks erarbeitet. Hierfür kam eine muskuloskelettale Mehrkörpersimulation der unteren Extremität auf Grundlage medizinischer Bilddaten zum Einsatz. Die Modellbildung auf Basis eines Patienten-Datensatzes mit kreuzbanderhaltender bikondylärer Knieendoprothese umfasste eine 3D-Rekonstruktion der Knochen über die Berechnung der Gelenkbewegungen aus Bewegungsdaten bis hin zur Berechnung der Kniegelenksdynamik. Ein wesentlicher Aspekt war die Implementierung eines detaillierten Kniegelenk-Modells unter Einbeziehung der artikulierenden Gelenkkontakte sowie Kräfte des Kapsel-Bandapparats und Muskelkräfte. Validierte Mehrkörper-Modelle wurden generiert, um verschiedene Bewegungen und Belastungen der unteren Extremität nachzubilden. Das validierte Mehrkörpermodell während der Kniebeuge wurde zur dynamischen Funktionsanalyse in drei Studien eingesetzt, welche verschiedene operationstechnische und implantatspezifische Einflussfaktoren analysierten. Hierbei konnten deutliche Einflüsse spezifischer Design-Merkmale sowie der Positionierung der Implantatkomponenten für die Funktion des künstlichen Kniegelenks herausgearbeitet werden. Es konnte gezeigt werden, dass bereits kleine intraoperative Abweichungen zu deutlichen Änderungen in der Kniegelenksdynamik führen können. Die in der Arbeit erzielten Erkenntnisse zu den Einflussfaktoren bieten Ingenieuren und Operateuren ein effektives Werkzeug für die Entwicklung künstlicher Kniegelenke und können somit zur Vermeidung intra- und postoperativer Komplikationen beitragen.