Einflüsse individueller Muskelkräfte auf dehnungsinduzierten femoralen Knochenumbau

Lutz, Frederick Gordon

Die vorgelegte Studie prüft die Hypothese: „Muskelkräfte an den unteren Extremitäten wirken derart, dass Biegebeanspruchungen im diaphysären Bereich der Femora minimiert werden und vorrangig Druckkräfte entstehen“. Sie untersucht mittels Simulationen die postulierten Einflussgrößen auf Knochenumbauprozesse um Hüftgelenkendoprothesen. Dabei liegt der Schwerpunkt in der Betrachtung von Optimierungsalgorithmen zur inversen Berechnung von Muskel- und Gelenkkräften. Die mathematische Abbildung der Hypothese erfolgt durch eine Erweiterung etablierter Optimierungsalgorithmen. Im dreistufigen Validierungsprozess finden Finite-Elemente-Modelle basierend auf magnetresonanztomographischen Aufnahmen, In vivo-Messdaten instrumentierter Hüftprothesen und elektromyographische Daten Verwendung. Für drei charakteristische Zeitpunkte eines Gangzyklus wird gezeigt, dass die Ergebnisse der Muskelkraftberechnung die postulierte Hypothese stützen.

This report systematically investigates the influence factors decisive in simulation of strain induced bone remodeling at the lower extremities. The main focus is on the analysis of optimization algorithms, which calculate muscle and joint forces due to a given movement inversely. This focus is necessary because solutions of femoral stress and strain simulations published so far, which apply inversely calculated muscle forces, show bending deformations. We state, that the current procedures do not adequately take into account findings about muscle and bone interactions which also can be found in the principles of Wolff´s Law, development of organisms by Roux, and mechanostat theory by Frost. In reference to current clinical findings we analyze the hypothesis: “Muscle forces on the lower extremities exert an influence on bone in such a way, that bending deformation in the femoral diaphysis is minimized and mainly pressure force is induced”. The implementation of the hypothesis is realized through the expansion of established optimization algorithms. A body model of the lower extremities and finite element (FE) models are derived from magnetic resonance images of a healthy male subject. A data set collected in a gait lab including position information from the extremities and ground reaction forces serving as framework. For three relevant positions during a normal gait cycle we demonstrate, that muscle activation patterns fit to the hypothesis. In addition a positive association between measured data from electromyographic surface sensors and computed muscle forces does exist. Resulting hip forces are between 1,2 and 3,2 times body weight, and are quantitatively comparable to previously cited experimental results from instrumented hip prostheses. The final investigation on possible change of bone mas based on the third principal stress is conducted via an FE model of a healthy Femur and a model with a virtually implanted hip endoprosthesis. In contrast to the established optimization strategies the simulation results for the healthy Femur show that no change of bone mass would occur at the beginning of mid stand phase as well as the end of terminal stand phase. The simulations of the situation with hip implant demonstrate phenomena of “stress shielding” at the femoral calcar region.

Die folgende Arbeit untersucht mittels Simulationen postulierte Einflussgrößen auf dehnungsinduzierte Knochenumbauprozesse an den unteren Extremitäten. Dabei liegt der Schwerpunkt in der Betrachtung von Optimierungsalgorithmen zur inversen Berechnung von Muskel- und Gelenkkräfte. Die Motivation hierfür ist, dass bisher publizierte Berechnungsergebnisse von femoralen Beanspruchungen auf Basis invers-dynamisch bestimmter Muskelkräfte zum Teil ungewöhnlich hohe Biegespannungen im diaphysären Femur aufweisen. Als Grund hierfür wird mit Bezug auf die Hypothesen des Wolffschen Transformationsgesetzes, der Entwicklungsmechanik der Organismen von Roux und der Mechanostat-Theorie von Frost eine nicht adäquate Berücksichtigung mechanobiologischer Zusammenhänge zwischen Knochen- und Muskelmasse postuliert. Unter Nutzung neuer Erkenntnisse aus klinischen Studien erfolgt die Prüfung folgender Hypothese: „Muskelkräfte an den unteren Extremitäten wirken derart, dass Biegebeanspruchungen im diaphysären Bereich der Femora minimiert werden und vorrangig Druckkräfte entstehen“. Die mathematische Abbildung der Hypothese erfolgt durch eine Erweiterung etablierter Optimierungsalgorithmen. Das Modell von Knochen und Muskeln der unteren Extremitäten sowie die Finite-Elemente-Modelle (FEM) basieren auf Magnetresonanztomographische Daten eines gesunden männlichen Probanden. In einem Ganglabor erhobene Positionsdaten und Bodenreaktionskräfte liefern Randbedingungen. Für drei charakteristische Zeitpunkte eines Gangzyklus wird gezeigt, dass die berechneten Muskelkräfte die postulierte Hypothese stützen und positive Assoziationen mit elektromyographischen Messdaten bestehen. Die resultierenden Hüftgelenkkräfte betragen das 1,2- bis 3,2-fache des Körpergewichts und sind damit quantitativ vergleichbar mit publizierten Messwerten instrumentierter Hüftprothesen. Die finale Untersuchung möglicher ossärer Transformationen am Berechnungsmodell des gesunden Femur und am Modell mit Hüftimplantat erfolgt mit Referenz zur dritten Hauptdehnung. Ergebnisse der FE-Berechnungen zeigen im Gegensatz zu den bisherigen Optimierungsstrategien, dass zu Beginn der mittleren Standphase und am Ende der terminalen Standphase überwiegend weder Knochenauf- noch -abbau stattfindet. Die Simulation des FE-Modells Femur mit Hüftprothese erlaubt Rückschlüsse auf das bekannte Phänomen des „Stress Shielding“.

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Lutz, Frederick: Einflüsse individueller Muskelkräfte auf dehnungsinduzierten femoralen Knochenumbau. Ilmenau 2016. Universitätsverlag Ilmenau.

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