Einfluss morphologischer Parameter auf die Steifigkeit des proximalen humanen Femurs bei den Lastfällen Stolpern und seitlicher Sturz auf die Hüfte - Eine Finite-Elemente-Analyse

Fragestellung Der Goldstandard für die Diagnose des Frakturrisikos osteoporotischer Patienten ist die Bestimmung der Knochenmineraldichte, wobei jedoch die patientenspezifische Morphologie unberücksichtigt bleibt. Die Finite-Elemente-(FE-)Methode ist als Werkzeug für die biomechanische Charakterisierung des Knochens ebenfalls etabliert. Das Ziel dieser FE-Studie ist es, den Einfluss der individuellen Morphologie auf die Steifigkeit des humanen Femurs bei den Lastfällen Stolpern und seitlicher Sturz auf die Hüfte zu bestimmen.

Methodik Basierend auf CT-Daten von zehn humanen Femora wurden FE-Modelle gemäß Kluess et al. [1] aufgebaut. Als relevante Lastfälle niederenergetischer Frakturen wurden das Stolpern und der seitliche Fall auf die Hüfte mittels entsprechender Randbedingungen (siehe Abbildung) in der FE-Analyse abgebildet. Es wurde isotropes, linear-elastisches Materialverhalten angenommen. Unter Anwendung eines selbstentwickelten Algorithmus wurden die Elastizitätsmoduln voxelbasiert und in Abhängigkeit der lokalen Knochendichte zugewiesen, wobei die Korrelationsfunktion zwischen Grauwerten der CT-Daten (HU-Units) und Steifigkeit nach Cong et al. [2] herangezogen wurde.

Abb.1 Schematische Darstellung der Randbedingungen der ausgewählten Lastfälle in der Frontalebene: Stolpern (links) und seitlicher Sturz auf die Hüfte (mittig) sowie Darstellung ausgewählter morphologischer Parameter des proximalen Femurs (rechts).

Die patientenspezifische Morphologie (siehe Abbildung) wurde durch die Länge der femoralen Halsachse (FHAL), des Hüftkopfdurchmessers (HKD), des Oberschenkelhalsdurchmessers (OSHD), des Collum-Diaphysen-Winkels (CCD) und des Antetorsions-Winkels (AT) des Femurs charakterisiert [[3], [4]]. Diese wurden mit der Software AMIRA 4.1 (Thermo Fisher Scientific) bestimmt.

Ergebnisse und Schlussfolgerung Es zeigte sich, dass bezüglich des CCD- und AT-Winkels ein lokales Optimum der Femursteifigkeit besteht, d.h. ein zum Optimum vergrößerter oder verkleinerter Winkel führt zu einer wesentlich verringerten Steifigkeit. Darüber hinaus nimmt die Femursteifigkeit ebenso bei einer vergrößerten FHAL ab. Die Abnahme der Steifigkeit wird dabei mit einem erhöhten Frakturrisiko verbunden. Der OSHD scheint die Femursteifigkeit jedoch nicht oder nur gering zu beeinflussen.

Die generierten FE-Modelle konnten zur Berechnung der individuellen Steifigkeit des humanen Femurs bei spezifischen Lastfällen herangezogen werden, wobei eindeutige Korrelationen zu morphologischen Parametern identifiziert wurden.

Stichwörter Biomechanik, Finite-Elemente-Analyse, CT-Rekonstruktion, Frakturrisiko, Femur, Morphologie

Publication History

Article published online:
15 October 2020

• Literatur

• 1 Kluess D, Souffrant R. et al. Comput Methods Programs Biomed 2009; 95 (01) : 23-30.
• 2 Cong A, Buijs J, Dragomir-Daescu D. Med Eng and Phys. 2011; 33 (02) : 164-173.
• 3 Soodmand E, Zheng G. et al. Orthop Surg 2019; 11 (01) : 135-142.
• 4 Fajar J, Taufan T. et al. J Orthop Translat 2018; 13 : 1-6.