Ärzte Zeitung, 04.08.2004

Roboter testet Fixation von Kreuzbandimplantaten

Roboter und Kraft-Momenten-Sensor in Studie kombiniert / Tests mit Kniebeugersehnen-Transplantaten positions- und kraftgesteuert möglich

Nach Rekonstruktion eines vorderen Kreuzbandes mit einem körpereigenen Sehnentransplantat sollen Anatomie und biomechanische Merkmale möglichst denen des ursprünglichen Kreuzbandes entsprechen. Inwieweit verschiedene Fixationstechniken dies gewährleisten, wurde mit Hilfe eines Roboters untersucht.

Von Jürgen Warmbold

Mit dem Roboter werden zwei Lokalisationen und drei Fixationstechniken am Schienbein untersucht. Foto: Kuka Roboter Gmbh

Bei der Rekonstruktion des vorderen Kreuzbandes wird hauptsächlich das mittlere Drittel des Kniescheibenbandes (Ligamentum patellae), mit je einem knöchernen Block aus der Kniescheibe und dem Schienbeinplateau, verwendet. Trotz hervorragender Stabilität werden einige Komplikationen, wie die Fehlfunktion des Streckmechanismus mit sukzessivem vorderen Knieschmerz oder Einschränkungen in der Bewegungsfreiheit, mit diesem Verfahren in Zusammenhang gebracht.

Daher ist das Interesse an der Nutzung viersträngiger Kniebeugersehnen gestiegen. Die Entnahme dieser Sehne bringt geringere Funktionsstörungen mit sich. Allerdings haben Kniebeugersehnen-Transplantate den Nachteil, daß sie nicht mit anhängenden Knochen zu entnehmen sind. Insofern entfällt die einfache Möglichkeit, sie über Schrauben verankern zu können. Zudem dauert die Heilung von Sehne zu Knochen länger als die von Knochen zu Knochen. Deshalb ist eine sehr hohe Stabilität der Fixation von Kniebeugersehnen nach der Operation erforderlich.

Gelenknahe, anatomische Fixationstechniken entwickelt

Diese Stabilität erreichte man bisher mit gelenkfernen Verankerungstechniken, die bei der Fixation von reinen Sehnentransplantaten die höchste Primärfestigkeit garantierten. Die Stabilität gelenkferner Verankerungstechniken ist sogar der von Patellarsehnen-Transplantaten, die mit einer Interferenzschraube fixiert wurden, deutlich überlegen. Andererseits ist die Steifigkeit gelenkferner Fixationstechniken gering; ein Nachteil, der die Knochen-Sehnenheilung beeinträchtigen kann. Daher entwickelte man auch für Beugersehnentransplantate gelenknahe, anatomische Fixationstechniken.

Ende Januar 2003 startete die Arbeitsgruppe um Privatdozent Wolf Petersen der Klinik für Orthopädie der Christian-Albrechts-Universität in Kiel eine experimentelle Laborstudie. In ihr überprüften sie biomechanisch mit Hilfe eines KUKA-Roboters KR 125 und eines universalen Kraft-Momenten-Sensors Fixationstechniken von körpereigenen Kniebeugersehnen-Transplantaten.

Ziel dieser Forschungsaufgabe war es, eventuelle Veränderungen festzustellen, die aus zwei Lokalisationen und drei Fixationstechniken am Schienbein (Tibia) resultieren könnten. Die Veränderungen waren zum einen in der Kinematik des rekonstruierten Knies, zum anderen, bei unterschiedlicher Belastung, im Hinblick auf die In-situ-Kräfte im Transplantat zu erwarten. Die In-situ-Kraft im vorderen Kreuzband ist die Vektordifferenz der Kräfte, die vor dem Durchtrennen des vorderen Kreuzbandes und nach dem Schließen durch ein Transplantat gemessen werden.

Als Fixationstechniken wählte man eine gelenkferne Fixation mit einer Klammer, eine gelenknahe, anatomische Interferenzschraubenfixation und eine gelenknahe, anatomische Cross Pin-Fixation mit zwei bioresorbierbaren Pins, die senkrecht durch die Transplantatstränge geführt werden.

Bei Untersuchungen der Kniekinematik und der In-situ-Kräfte gestattet die Kombination aus sechsachsigem Knickarmroboter und universalem Kraft-Momenten-Sensor einen Vergleich aller drei Fixationstechniken in derselben Knieprobe. Folglich wird die zwischen Individuen auftretende Variabilität umgangen und der Aufwand reduziert. Außerdem lassen sich die Ergebnisse mit dem biomechanischen Verhalten des intakten Knies vergleichen, dessen Bewegungen der Roboter, der mit hoher Wiederholgenauigkeit und Flexibilität arbeitet, ebenfalls nachstellen kann.

Der KUKA-Roboter, der in der Lage ist, die fünf Freiheitsgrade in der Bewegung des Knies wiederzugeben, führte die biomechanischen Untersuchungen der Beugersehnentransplantate an Schweineknien durch. Innerhalb eines Versuchs verwendete die Klinik 20 Knie. Der KR 125 bewegte die beidseitig mit Knochenzement in dickwandige Aluminiumzylinder eingegossenen Knie über eine spezielle Aufnahmevorrichtung. Dabei war der tibiale Zylinder mit dem Endeffektor des Roboters und dem universalen Kraft-Momenten-Sensor verbunden. Den femoralen Zylinder hatte man dagegen am Fuß des Sechsachsers mit einer extra hierfür angefertigten Klammer befestigt.

Da der universale Kraft-Momenten-Sensor, der drei orthogonale Kräfte und Momente messen kann, die bei den Bewegungen auftretenden Kräfte registrierte und die Daten über einen Rückkoppelungs-Regelkreis an den Roboter zurücksandte, konnte der KR 125 sich positions- und kraftgesteuert in verschiedenen Freiheitsgraden bewegen.

Positions- und kraftgesteuerter Zustand im Vergleich

In der positionskontrollierten Einstellung fuhr der Roboter dieselben Positionen wieder exakt an, um die In-situ-Kräfte zu ermitteln. Weil die Bewegungen des Gelenkes vor dem Durchtrennen des vorderen Kreuzbandes und nach dem Einsetzen eines Transplantats identisch waren, konnte das Prinzip der Superposition angewandt werden, bei dem man jeweils nur einen der zu untersuchenden Faktoren verändert. So ließ sich die Vektordifferenz der Kräfte und somit die In-situ-Kraft im vorderen Kreuzband feststellen.

Im kraftkontrollierten Modus wird dagegen ein Datensatz an Gelenkkräften und Momenten vorgegeben und die sich ergebende Bewegung über das Koordinatensystem der Software aufgezeichnet. Da das System so identische äußere Gelenkkräfte und Momente auf ein Knie im intakten und im durchtrennten Zustand aufbringen kann, ließ sich der Unterschied in der Kinematik zwischen beiden Zuständen vergleichen.

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Gelenknahe Fixationstechniken sind vorteilhaft

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