Joint loading in the presence of torsional deformities is overestimated unless gait adaptations are considered: a predictive simulation approach
Diese Studie zeigt, dass prädiktive Simulationen, die Ganganpassungen einbeziehen, essenziell sind, um die Hüft- und Kniegelenksbelastung bei Vorliegen von femoralen und tibialen Torsionsdeformitäten genau zu schätzen, da das Versäumnis, diese natürlichen kinematischen Anpassungen zu berücksichtigen, zu einer signifikanten Überschätzung der Gelenzkräfte führt.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung eines Preprints, das nicht peer-reviewed wurde. Dies ist kein medizinischer Rat. Treffen Sie keine Gesundheitsentscheidungen auf Grundlage dieses Inhalts. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Das menschliche Skelett ist keine starre Statue; es ist ein dynamisches Gerüst, das sich dreht und wendet, um uns aufrecht zu halten und uns in Bewegung zu halten. Im Unterkörper besitzen der Oberschenkelknochen und der Schienbeinknochen oft eine natürliche Spirale, eine Drehung entlang ihrer Länge, die hilft, den Fuß an die Bewegungsrichtung auszurichten. Manchmal ist diese Drehung ausgeprägter als üblich, ein Zustand, der als Torsionsdeformität bekannt ist. Wenn der Oberschenkelknochen zu stark nach innen verdreht oder der Schienbeinknochen zu stark nach außen verdreht ist, kann sich die gesamte Art und Weise, wie eine Person geht, verändern. Jahrzehntelang haben Ärzte und Wissenschaftler besorgt, dass diese Verdrehungen zusätzlichen, schädlichen Stress auf die Hüft- und Kniegelenke ausüben, was im späteren Leben potenziell zu Schmerzen oder Arthrose führen kann. Um dieses Risiko zu verstehen, haben Forscher traditionell Computermodelle verwendet, um die Kräfte in diesen Gelenken abzuschätzen. Eine entscheidende Frage blieb jedoch: Berücksichtigen diese Modelle die Tatsache, dass der menschliche Körper klug genug ist, seinen Gangstil zu ändern, um eine verdrehte Knochenstruktur zu kompensieren? Wenn ein Modell eine Person dazu zwingt, exakt gleich zu gehen, unabhängig von ihrer Knochenstruktur, berechnet es möglicherweise eine Belastung, die in der Realität nie tatsächlich auftritt.
Ein Team von Forschern setzte sich zum Ziel, diese Frage zu beantworten, indem sie eine neue Art von Computersimulation entwickelten. Anstatt ein digitales Skelett dazu zu zwingen, mit einem festen, unveränderlichen Muster zu gehen, erschufen sie ein System, das es dem Skelett ermöglichte, selbst herauszufinden, wie es am effizientesten geht, gegeben die spezifischen Knochendrehungen. Sie begannen mit einem Standardmodell eines erwachsenen Menschen und veränderten dann systematisch die Drehung im Oberschenkelknochen und im Schienbeinknochen, um die breite Palette an Variationen abzubilden, die bei Menschen mit diesen Deformitäten vorkommen. Sie führten tausende Gehsimulationen durch und ließen den Computer entscheiden, wie die Hüften rotieren und wie die Füße zeigen sollten, um sich flüssig mit normalem Tempo vorwärts zu bewegen. Das Ziel war es zu sehen, wie sich die Kräfte in der Hüfte veränderten, wenn der Körper erlaubt wurde, seine Bewegung anzupassen, im Vergleich dazu, wenn er gezwungen war, ohne Anpassung steif zu gehen.
Die Ergebnisse zeigten, dass die natürlichen Anpassungen des Körpers mächtig sind und die Kräfte, die auf die Gelenke wirken, signifikant verändern. Wenn der Oberschenkelknochen eine übermäßige Innendrehung aufwies, drehte der simulierte Geher die Hüfte natürlich nach innen und zeigte die Zehen nach innen, um dies zu kompensieren. Diese Anpassung änderte die Richtung der Kräfte, die auf das Hüftgelenk trafen. In der ersten Phase des Schrittes sank die Druckkraft, die auf die Hüfte drückt, im Vergleich zu dem, was ältere Modelle vorhersagten, tatsächlich. Die seitliche Gleitkraft, oder Scherung, nahm jedoch zu. In der zweiten Phase des Schrittes stieg die Gesamtkraft auf die Hüfte leicht an. Am Knie war die Geschichte anders: Die Verdrehung des Oberschenkelknochens führte sowohl zu Beginn als auch am Ende des Schrittes zu höheren Druck- und Gesamtkräften. Die Drehung im Schienbeinknochen hatte einen geringeren Effekt und reduzierte hauptsächlich die Kraft beim zweiten Peak des Schrittes.
Entscheidend war, dass das Ignorieren dieser Geh-Anpassungen zu einer schwerwiegenden Überschätzung der Gefahr führt. Als die Forscher eine Simulation durchführten, bei der sie das Modell mit dem verdrehten Knochen zwangen, mit exakt denselben Beinbewegungen wie eine gesunde Person zu gehen, berechnete der Computer wesentlich höhere Gelenkkräfte, als wenn sie dem Modell erlaubt wurde, sich anzupassen. In einem Vergleich war der Unterschied im zweiten Peak der resultierenden Kontaktkraft des Knies zwischen dem nicht-adaptiven Ansatz und der prädiktiven Simulation etwa dreimal so groß. Dies deutet darauf hin, dass frühere Studien, die keine Änderungen im Gangverhalten zuließen, hinsichtlich der Belastung dieser Gelenke zu pessimistisch gewesen sein könnten. Die Fähigkeit des Körpers, seine Gliedmaßen neu auszurichten, wirkt als Puffer, der die Last in einigen Bereichen reduziert, während er sie in andere Bereiche verschiebt.
Die Forscher fanden heraus, dass die Drehung im Oberschenkelknochen der primäre Treiber dieser Veränderungen war und einen viel größeren Einfluss auf die Gelenkbelastung hatte als die Drehung im Schienbeinknochen. Sie stellten auch fest, dass, obwohl ihre Simulationen die allgemeinen Muster erfassten, wie Menschen mit diesen Deformitäten gehen, die exakten Zahlen von den spezifischen Details des Computermodells abhängen. Die Studie behauptet nicht, das Rätsel gelöst zu haben, wie diese Deformitäten Schmerzen verursachen, aber sie liefert ein klareres Bild der beteiligten Mechanik. Indem die Forscher das digitale Skelett seine eigene Balance finden ließen, demonstrierten sie, dass der menschliche Körper kein passives Opfer der Knochenstruktur ist, sondern ein aktiver Teilnehmer, der ständig Anpassungen vornimmt, um seine Gelenke zu schützen. Diese Erkenntnis legt nahe, dass zukünftige medizinische Entscheidungen bezüglich Operationen oder Behandlungen auf Modellen basieren sollten, die diese natürlichen Geh-Anpassungen respektieren, anstatt davon auszugehen, dass sich der Körper auf eine starre, unveränderliche Weise bewegt.
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