Simulation of force loaded knee movement in a newly developed in vitro knee simulator / Simulation von belastungsabhängigen Kniebewegungen in einem neuartigen Knie-Simulator für In-vitro-Studien
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Otto Müller
Abstract
Simulating knee movement under physiological muscle loading is a prerequisite in order to improve surgical treatment and rehabilitation techniques. An apparatus is presented which can simulate five knee muscles to control a definite amount of body weight using the ankle force as the target value for the control mechanism. The influence of different amounts of simulated ankle forces upon the knee movement was investigated. The apparatus was constructed in a closed kinetic chain design similar to the so-called Oxford rig. Three quadriceps muscles and two hamstring muscles were controlled by electrical servo motors via tendon clamps in order to adjust a target value for the simulated body weight. Three fresh frozen cadaveric specimens were used to validate the apparatus and to examine the difference between loaded and unloaded knee flexion from 10° to 90°. In one specimen, up to 250 N simulated ankle force could be achieved for a single leg knee flexion. Among the kinematic variables, tibial rotation was influenced the most when varying the amount of simulated body weight. Although the knee kinematics changed considerably with increasing simulated bodyweight, the shapes of the kinematic profiles remained similar, indicating that qualitative clinical insights can still be elucidated with partially (but reasonably) loaded knees.
Zusammenfassung
Die Simulation der Kniebewegung unter physiologischer Muskelbeanspruchung ist eine Grundvoraussetzung zur Verbesserung von Operationsverfahren und Rehabilitationstechniken am Knie. Es wird eine Apparatur vorgestellt, welche mittels fünf simulierter Muskelzüge die Fußgelenkskraft als Regelgröße zur Simulation des Körpergewichts benutzt. Der Einfluss von unterschiedlichen Gewichtswerten auf die Bewegung des Kniegelenks wurde untersucht. Die Apparatur ist als geschlossene kinematische Kette, ähnlich dem sogenannten Oxford Rig, konstruiert. Drei Kniestrecker und zwei -beuger werden durch Servomotoren gesteuert, um einen definierten Wert des Körpergewichtes zu simulieren. Tiefgefrorene Kadaverpräparate wurden verwendet, um die Apparatur zu validieren und um den Unterschied zwischen einer belasteten und unbelasteten Kniebeuge zu untersuchen. Es konnte eine Körpergewichtskraft bis zu 250 N simuliert werden. Von allen kinematischen Parametern der Kniebewegung ist die Tibiarotation am meisten durch unterschiedliche Gewichtswerte bestimmt. Obwohl sich die Bewegung des Kniegelenks mit zunehmendem Körpergewicht ändert, verhalten sich die kinematischen Messgrößen ähnlich. Um klinische Fragestellungen der Kniebewegung im Kadavermodel zu simulieren, genügt es, nur Teile des Körpergewichtes zu simulieren.
©2009 by Walter de Gruyter Berlin New York
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