Computergestützte Benchmarkstudie von Osteosyntheseplatten für die Behandlung des kindlichen proximalen Femurs

Fragestellung Bei einer Umstellungsosteotomie am kindlichen proximalen Femur werden verschiedene Plattensysteme für die Osteosynthese verwendet. Besonders weit verbreitet ist die Osteosynthese mittels Klingenplatte oder geschraubten Platten. Ziel der vorliegenden computergestützten Benchmarkstudie war eine Analyse der auftretenden Belastungen in den unterschiedlichen Osteosyntheseplatten bei Anwendung am kindlichen proximalen Femur, um ein Verständnis für die mechanischen Beanspruchungen in den unterschiedlichen Implantaten zu erhalten.

Methodik Es wurden eine handelsübliche 110°-Klingenplatte, 110°-Kompressionsplatten sowie ein selbstentworfener Implantatprototyp mit passenden Schrauben mittels CAD-Software generiert.

Für die Finite Elemente (FE)-Simulation wurde ein Femurmodell eines Kindes (weiblich, 7 Jahre, 22,4 kg) aus einem CT-Datensatz mittels der ImFusion Suite (ImFusion GmbH, München) segmentiert und anschließend in ein Volumenmodell rekonstruiert. Um eine künstliche Fehlstellung zu erzeugen, wurde eine Deformation des Volumenmodells auf einen präoperativen CCD-Winkel von 156° gemäß Zhou et al. (2017) durchgeführt. Zusätzlich erfolgte die Erhöhung des Antetorsionswinkels um 23°. Eine varisierende Osteotomie (Korrektur: 35°) mit Korrektur der Rotation um 23° (Joeris et al. 2012) resultierte im finalen Knochenmodell für die FE-Simulation.

Die virtuelle Positionierung im Knochenmodell erfolgte mit Hilfe eines erfahrenen Operateurs ([Abb. 1a]). Als biomechanische Randbedingungen wurden die Hüftresultierende nach Bergmann et al. (2016) beim Laufen und die resultierende Muskelkraft am Trochanter major nach Heimkes et al. (1993) definiert. Die Kräfte wurden auf das Körpergewicht des Kindes mit 22,4 kg skaliert.

Ergebnisse und Schlussfolgerung Die Ergebnisse der durchgeführten FE-Simulation sind in [Abb. 1b] dargestellt. Obwohl die Klingenplatte ein schlankeres Design besitzt, sind die Spannungen im Bereich der höchsten Biegebelastung mit den anderen Plattensystemen (1-3, [Abb. 1b]) vergleichbar. Das Plattensystem 3 zeigte in fast allen untersuchten Punkten (siehe [Abb. 1b]) die niedrigsten Spannungswerte.

Die FE-Simulation ermöglicht die Optimierung von Osteosyntheseplatten hinsichtlich eines schlanken Designs und dient zur Unterstützung bei der Auswahl eines spezifischen Implantattyps für die patientenspezifische Behandlung des proximalen Femurs. Es konnten verschiedene hochbelastete Bereiche im Implantat identifiziert werden. Ebenfalls konnte gezeigt werden, dass die höchste Spannung in der ersten distal der Osteotomie befindliche Schraube auftritt. Neu entwickelte Implantate sollten mittels FE-Analyse optimiert ausgelegt werden, um damit das Risiko eines Versagens zu reduzieren.

Abb. 1 a)Exemplarisches FE-Modell des kindlichen Femurs mit Implantat. b)Spannungsverteilung der einzelnen Osteosyntheseplatten.

Stichwörter Plattenosteosynthese, kindlicher Femur, Benchmarkstudie, Finite Elemente-Simulation

Publication History

Article published online:
15 October 2020