Biomechanische Modellbildung zur Analyse des Verhaltens der Hüftmuskulatur nach Varus-/Valgus-Korrektur des proximalen Femurs

Fragestellung Die Funktion der Hüfte und der Hüftmuskulatur wird in der Grundlagenforschung zunehmend mittels mathematischer und computergestützter Modelle analysiert. Bisher fehlen genauere Analysen zur Veränderung des komplexen, muskulären Zusammenspiels durch eine Änderung des CCD-Winkels im Rahmen einer Umstellungsosteotomie bei Kindern. Ziel der nachfolgenden Modellbildung war es, die Muskelspannung vor und nach einer Varus- und Valgus-Umstellung nachzustellen und daraus Anforderungen an die Operationstechnik abzuleiten.

Methodik Aus einem CT Datensatz einer Siebenjährigen wurden das rechte Becken, sowie das rechte Femur mit der Software ImFusion segmentiert. Der CCD-Winkel von 145° des Femurs wurde mit Hilfe der CAD-Software Autodesk Inventor bestimmt.

Dieser entsprach damit einer pathologischen Coxa Valga. Am Becken lagen keine Pathologien vor. Mittels einer weiteren CAD Software, CATIA (Dassault Systèmes), wurde das segmentierte Flächenmodell (STL-Datei) in ein Volumenmodell (STP-Datei) überführt. In dieses Volumenmodell wurden anhand von Fachliteratur die anatomischen Landmarken der Muskelansätze von Femur und Becken mittels Autodesk Inventor übertragen. Das Becken wurde entsprechend der Operationstechnik lateral auf der Grundplatte fixiert. Die Knochenmodelle wurden mittels selektivem Lasersintern gefertigt. Muskeln (rosa) und Bänder (blau) wurden durch vorgespannte elastische Bänder simuliert. Dicke und Stärke der Bänder orientieren sich dabei an der Anatomie der Muskeln. An allen Bändern wurden Marker mit einer Länge von 1 cm verwendet, um Dehnungen bei der Bewegung des Femurs messen zu können. Durch Kippen des Femurs wurden eine Coxa Vara bzw. eine verstärkte Coxa Valga simuliert.

Ergebnisse und Schlussfolgerung Die Einflüsse von Korrekturosteotomien auf die Muskulatur lassen sich mit dem gewählten Modell gut und reproduzierbar darstellen. Es zeigten sich deutliche Dehnungsunterschiede zwischen der simulierten Coxa Vara und Coxa Valga, vor allem an den Muskeln, die am Trochanter major inserieren. Es wurden Längenänderungen von bis zu 160 % im Vergleich zur Ausgangslänge beobachtet.

Abb.1. Ergebnis der Modellbildung der kindlichen Hüftmuskulatur

Das Modell ist noch durch die Verwendung nur eines anatomischen Datensatzes limitiert. Als Grundlage zur biomechanischen Untersuchung unterschiedlicher Implantate und Operationstechniken ist es jedoch gut anwendbar. Die in dieser Studie ermittelten erhöhten Muskelspannungen zeigen die Notwendigkeit zur intraoperativen Positionskontrolle der Knochenfragmente.

Stichwörter Korrekturosteotomie, Kind, Femur, Modellbildung, Hüftmuskulatur

Publication History

Article published online:
15 October 2020