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Fragestellung: Die Materialeigenschaften des Meniskus wurden bereits mit Hilfe von standardisierten Stanzen aus dem Meniskusgefüge bestimmt. Dabei wird jedoch das Fasernetzwerk des Meniskus zerstört und somit die native Funktion des Meniskus beeinträchtig. Für die Entwicklung von Ersatzmaterialien ist es von Bedeutung die Eigenschaften des intakten Meniskus zu kennen. Deshalb, sollte in dieser Studie eine nicht invasive Methode zur Bestimmung der Materialeigenschaften mittels inverser FE-Analyse etabliert werden.

Methodik: 5 intakte Schweineknie wurden im un- und belasteten Zustand (100% Köpergewicht(KG) und 200%KG) im 3T MRT gescannt. Das 3D Verschiebungsfeld wurde mittels nicht linearer Registrierung aus den MRT-Daten errechnet. Die Meniskusgeometrie wurde aus den unbelasteten MRT Bildern segmentiert und ein FE-Netz generiert. Zur Abbildung der experimentellen Ergebnisse in den jeweiligen FE-Modellen wurde ein anisotropes, hyperelastisches Materialgesetz verwendet(Holzapfel et al., 2000). Während der Optimierung wurde der Fehler (E_F), der sich durch die Differenz zwischen der Reaktionskraft auf der femoralen Oberfläche des Meniskus und der im Experiment aufgebrachten Last ergibt, durch Variation von 4 Parametern (Schermodul, Kompressibilität, 2x Verhalten der Fasern) minimiert. Zur weiteren Auswertung wurde der Differenzfehler (E_U) im 3D Verschiebungsfeld zwischen Experiment und FE-Analyse in allen drei Raumrichtungen herangezogen. Normalverteilte Daten wurden mit einer 2-faktoriellen ANOVA ausgewertet (p<0.05: signifikant). Zusätzlich wurde die Lokalisation der höchsten Spannung ermittelt.

Ergebnisse und Schlussfolgerung: Der Fehler in der Reaktionskraft (E_F) betrug 1.2% bis 12.3%. Das Modell mit dem kleinsten Fehler hatte ein Schermodul von 0,46 MPa und eine Kompressibilität von 1,3 mm²/N. Die beiden Faserparameter waren 1,4 MPa und 43,6 MPa.

Der Fehler der Verschiebung (E_U) war in radialer Richtung am höchsten im Vergleich zu allen anderen Raumrichtungen (Abbildung 1A [Abb. 1]).

Der Fehler zwischen den Belastungsstufen (p=0.4) und den Raumrichtungen (p=0.2) war statistisch nicht signifikant. Die höchsten Spannungen traten im posterioren Horn auf (Abbildung 1B [Abb. 1]) und die Amplitude stimmt mit bereits publizierten Daten überein (Pena et al., 2005). Die meisten Risse ereignen sich im posterioren Horn (Metcalf et al., 2004). In dieser Studie wurden in dieser Region die höchste Spannung festgestellt, was dafür spricht, dass höhere Spannungen ein erhöhtes Rissrisiko mit sich bringen. Mit einer geeigneten Belastungsapparatur wird es in Zukunft möglich sein, auch die Eigenschaften des humanen Meniskus nicht invasiv zu bestimmen.