Biomechanische Untersuchungen zur Evaluation der Kinematik und Stabilität einer bikompartimentellen, kreuzbanderhaltenden Kniegelenks-Endoprothese

Abstract

HINTERGRUND Die Gonarthrose zählt zu den häufigsten degenerativen Veränderungen im höheren Lebensalter. Ein übliches Therapieverfahren stellt die Implantation einer Total-Endoprothese dar. Hierbei wird normalerweise das vordere Kreuzband (VKB) ersetzt. Dieses ist für die Stabilität des Kniegelenkes wichtig und mitbestimmend für die Kinematik. Eine Alternative bei kombinierter medialer und retropatellarer Arthrose sind kreuzbanderhaltende, bikompartimentelle Prothesensysteme. Bisher sind jedoch keine in-vitro Daten vorhanden, welche die Knie-Kinematik nach Implantation eines derartigen Modells näher beschreiben. Außerdem ist die biomechanische Funktion des VKB nach der Implantation einer solchen Prothese noch nicht vollständig untersucht. Das Ziel der vorliegenden experimentellen Studie ist es, die Knie-Kinematik eines kreuzbanderhaltenden, bikompartimentellen Gelenkersatzes unter Belastung zu ermitteln. Zusätzlich wird die passive Gelenk-Stabilität nach Implantation dieses Prothesenmodells getestet. METHODEN Unter standardisierten Laborbedingungen wurden ein dynamischer Knie-Kinemator und ein Industrie-Roboter eingerichtet, um die Kinematik des Gelenkersatzes zu evaluieren. Zur Quantifizierung der Funktion des VKB nach einem Gelenkersatz wurde dieses arthroskopisch durchtrennt. Ein Ultraschall-Bewegungsmesssystem zeichnete die tibiofemoralen Rotations- und Translationsbewegungen von 14 humanen Kadaverpräparaten auf. Die Messungen wurden im nativen Zustand, nach Implantation der Endoprothese und nach Durchtrennung des VKB durchgeführt. Dazu zählten eine gewichtsbelastete Kniebeugung und eine unbelastete Gelenk-Stabilitätsprüfung. ERGEBNISSE Die Tibia-Translation nach Prothesenimplantation stimmt mit den nativen Präparaten unter Belastung überein. Die Rotation zeigt nur im mittleren Flexionsbereich geringe Abweichungen. Die Durchtrennung des VKB führt zu einer signifikanten anterioren Tibia-Translation. Die passive Gelenk-Stabilität nach Implantation der Endoprothese entspricht der des nativen Zustandes. Die Durchtrennung des VKB verändert die anteriore Tibia-Translation und Varus-Rotation signifikant. Die Innenrotation wird dadurch jedoch nicht beeinflusst. SCHLUSSFOLGERUNG Eine kreuzbanderhaltende, bikompartimentelle Endoprothese bewahrt die physiologische Knie-Kinematik bei einer simulierten belasteten Kniebeugung. Die weiteren Ergebnisse zeigen, dass intakte Kreuzbänder die passive Gelenk-Stabilität erhalten können und das Knie vor unphysiologischen Belastungen schützen. Das untersuchte Prothesenmodell stellt daher eine geeignete Therapieoption bei medialer und patellofemoraler Arthrose mit unversehrten Kreuzbändern dar.

BACKGROUND Osteoarthrosis (OA) is one of the most common degenerative alterations in higher ages. A standard therapy is the implantation of a knee arthroplasty. Within this procedure, the anterior cruciate ligament (ACL) usually gets resected. The ACL is important for knee-joint stability and kinematics. For combined medial and retropatellar OA an ACL-retaining, bicompartmental joint replacement is also available. But so far, there is no in-vitro data published that describes knee kinematics after implanting this type of knee-system. In addition, the biomechanical function of the ACL after implantation is not totally understood. The aim of this experimental study is to determine the kinematics of an ACL-retaining, bicompartmental knee system with applied forces. Passive knee-joint stability after implantation is tested as well. METHODS A dynamic knee-simulator and an industrial robotic manipulator were established to evaluate the kinematics after implantation under standardized conditions. To quantify the function after implanting the knee-joint replacement, the ACL was cut semi-arthroscopically. A supersonic motion-capturing system recorded the tibiofemoral rotational and translational movements from 14 human knee specimens. The measurements were performed in native conditions, after implanting the prosthesis and after resecting the ACL. A squatting exercise with muscle loads and passive knee-joint stability tests without forces were conducted. RESULTS The tibial translation after implantation of the prosthesis is equal to native conditions with applied forces. Short alterations in rotational behaviour are only seen in middle flexion angles. Resecting the ACL, leads to significant anterior tibial translation. Passive knee-joint stability after implanting the prosthesis corresponds to the native condition. Resecting the ACL alters the anterior tibial translation and varus rotation significantly. Internal rotation is not influenced so far. CONCLUSION An ACL-retaining, bicompartmental knee prosthesis preserves physiologic kinematics during a simulated squatting exercise with muscle loads. Further results show that an intact ACL retains passive knee-joint stability and protects the knee against unphysiologic burdens. The investigated joint replacement is therefore a proper therapeutical option for medial and retropatellar OA with an intact ACL.