Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3047
Main Title: In vivo Messung der Schultergelenkbelastung mit Hilfe instrumentierter Endoprothesen
Translated Title: In vivo Measurement of Shoulder Joint Loads with Instrumented Implants
Author(s): Westerhoff, Peter
Advisor(s): Kraft, Marc
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: In dieser Arbeit wurde die Belastung des Schultergelenkes mit Hilfe von instrumentierten Prothesen gemessen. Insgesamt wurden 8 dieser Implantate bei 8 Patienten eingesetzt. Durch die unterschiedlichen funktionellen Ergebnisse konnten allerdings nicht alle Patienten an allen Studien der verschiedenen Themengebiete teilnehmen. Insbesondere anspruchsvolle Übungen mit zusätzlichen Gewichten waren für einige Patienten nicht durchzuführen. Die Ergebnisse wurden in bisher 5 Publikationen in international anerkannten (peerreviewed) Zeitschriften veröffentlicht bzw. eingereicht und bilden die Grundlage der vorliegenden Arbeit. Die absolut größten Kräfte von mehr als 200% des Körpergewichtes (%BW) wurden gemessen bei körperlich sehr starken Patienten, die entweder ein externes Gewicht über den langen Helbelarm des ausgestreckten Armes hoben, oder aber willentlich eine maximale Muskelanspannung durchführten. Dabei war die Kraftrichtung trotz großer Bewegungsumfänge sehr konstant. Dies ist ein Aspekt, der auch schon bei Messungen an der Hüfte [1] und am Knie [2]beobachtet wurde. Ein Patient war sogar in der Lage, Liegestütze durchzuführen. Allerdings wurde bei dieser Übung der maximale Messbereich der Prothese durch eine Kombination von großer axialer Kraft (mehr als 240% des Körpergewichtes) und gleichzeitig großen wirkenden Biegemomenten (mehr als 9 Nm) überschritten. Die nicht unerheblichen Belastungen durch Biege- und Torsionsmomente wurden bisher in computergestützten Modellberechnungen nicht einkalkuliert und es zeigten sich individuell große Unterschiede zwischen den Patienten. Als ein grundlegendes Ergebnis zeigte sich, dass die Modellierung des Schultergelenkes als reibungsfreies Kugelgelenk den realen Bedingungen im prothetisch versorgten Schultergelenk nicht gerecht wird. Grund für die gemessenen Momente kann offensichtlich nicht nur in Reibung im Gelenk sein. Andernfalls müssten unwahrscheinlich hohe Reibungskoeffizienten bei einigen Patienten angenommen werden. Vielmehr erscheinen exzentrische Krafteinwirkung und/oder zusätzliche Kraftangriffspunkte z.B. am Acromion für die gemessenen Momente verantwortlich zu sein. Dies soll zukünftig mit zusätzlichen flouroskopischen Messungen untersucht werden. Ein weiterer zukünftiger Aspekt ist die Umrechnung der Belastungen auf das Glenoid mit Hilfe von simultaner Bewegungsanalyse. Erste Ergebnisse dieser Zusammenarbeit mit einer Forschungsgruppe aus den Niederlanden werden als Ausblick am Ende der Arbeit dargestellt.
Content of this thesis is the in vivo measurement of shoulder joint contact loads. For this purpose an instrumented shoulder implant was developed. Eight of these devices were implanted in 8 patients. Because of the individual different functional outcome, not all patients could take part in all studies. The results of particulat topics are published or submitted as scientific papers to international peerreviewed journals. In general the highest should joint loads of more than 200 percentage of Bodyweight (%BW) were measured in strong and athletic patients with a good muscular constitution during maximum voluntary muscle contractions. Also high loads occurred whenever the patients moved the straight arm with an external weight and a long lever arm. The load direction during these high demanding tasks was very constant throughout the motion. Similar effects were also seen in studies measuring the hip [1] and knee joint load [2]. One patient was even able to do push-ups. Unfortunately the maximum measurement range of the implant was exceeded during this exercise with a combination of high axial forces (more than 240%BW) together with bending moments of more than 9Nm. Reason for the measured moments could be friction on the one hand, but also an eccentric shift of the resultant force caused by additional points of load application for example. These points could be the acromion or the processus coracoideus. In previous model calculations of shoulder joint loads, bending and torsional moments were mostly not taken into account at all. After measuring these moments in vivo, modeling of the shoulder joint as a frictionless ball and socket joint seems not to be appropriate, at least in case of a endoprosthetic replacement. To further investigate the reasons for the measured moments fluoroscopic measurements are planned for the future. However, the biggest issue regarding shoulder implants is still the glenoid component. Therefore, combined in vivo measurements and motion analysis were done with the group of Prof. Frans van der Helm in the Netherlands to convert the measured humeral loads on to the glenoid.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-33340
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/3344
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3047
Exam Date: 31-Oct-2011
Issue Date: 7-Dec-2011
Date Available: 7-Dec-2011
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Gelenkbelastung
Implantat
In vivo Messung
Instrumentiert
Schulter
Implant
In vivo measurement
Instrumented
Joint load
Shoulder
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