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Biomechanische Belastungs- und Rotationsanalyse der Ligamenta cruciata genus der Katze
Biomechanische Belastungs- und Rotationsanalyse der Ligamenta cruciata genus der Katze
In der vorliegenden Studie wurden die Kreuzbänder (Ligamenta cruciata genus) von Katzen auf ihre biomechanischen Eigenschaften unter zyklischer Zugbelastung und ihr Rupturverhalten bei einer Innenrotation der Tibia untersucht. Die zyklische Belastungsuntersuchung erfolgte durch das in eine Materialprüfmaschine eingespannte Gesamtgefüge, bestehend aus Ober- und Unterschenkelknochen sowie den beiden Kreuzbändern. Für den Rotationsversuch wurde im Zuge dieser Arbeit eine spezielle Rotationsvorrichtung entwickelt und konstruiert, die eine Umwandlung der Zugkräfte der Materialprüfmaschine in eine Rotationsbewegung ermöglichte. Sowohl für das kraniale als auch das kaudale Kreuzband konnten die typischen biomechanischen Eigenschaften viskoelastischer Gewebe, wie Relaxation, Retardation und Hysterese nachgewiesen werden. Es zeigte sich, dass durch zyklische Belastung ein Bruch des Gewebes (= partielle oder vollständige Ruptur der Ligg. cruciata genus) bei geringeren Kräften und niedrigerer Dehnung als durch einphasige Distraktion herbeigeführt werden konnte. In einigen Fällen konnte durch die biomechanischen Daten eine Überschreitung der Fließgrenze und damit einhergehender Plastizität erkannt werden, ohne dass diese Bänder pathologische Veränderungen unter dem Stereomikroskop zeigten. Das kaudale Kreuzband fiel durch ein höheres Maß an prozentualer Dehnbarkeit im Verhältnis zum kranialen Kreuzband auf. Die Innenrotation der Tibia wurde sowohl an vor dem Versuchsbeginn eröffneten Kniegelenken, bei denen alle Strukturen des Kniegelenks außer den Ligg. cruciata genus entfernt wurden, als auch an Kniegelenken mit geschlossener Gelenkkapsel durchgeführt. Bei Letzteren wurden nach dem Rotationsversuch die Strukturen des Kniegelenks unter einem Stereomikroskop auf Schäden hin untersucht. Durchschnittlich wurde ein Rotationswinkel von 54,79 ± 19,21° erreicht, bis eine Struktur des Gesamtgefüges rupturierte oder frakturierte. Die rotationsinduzierte Bruchlast war auch im Falle des Rotationsversuches wesentlich geringer als die Kraft, die für einen einphasigen Zerreißversuch benötigt wird. Das legt die Vermutung nahe und bestätigt veröffentlichte Daten, dass eine Kreuzbandruptur häufig durch eine Innenrotation der Tibia verursacht wird. In dieser Studie erwies sich als häufigster Locus minoris resistentiae des Kniegelenks das kaudale Kreuzband. Beim Versuchsdesign der vor Versuchsbeginn eröffneten Kniegelenke rupturierte das kaudale Kreuzband in allen Fällen (100%), bei geschlossenen Kniegelenken in 58,82% der Fälle, aber nur in 5,88% der Fälle das kraniale Kreuzband. Eine mögliche Erklärung bietet die geringere Querschnittsfläche und weniger stark ausgeprägte Torquierung des felinen kaudalen Kreuzbandes im Verhältnis zum kranialen. Durch die verminderte Verdrillung der Fasern, die normalerweise eine höhere Festigkeit bewirkt, kann das kaudale Kreuzband den einwirkenden Rotationskräften nicht entgegenwirken und rupturiert. Die hohe Rupturrate des kaudalen Kreuzbandes müsste sich auch in klinischen Studien wiederfinden, hier wird allerdings überwiegend die Ruptur des kranialen Kreuzbandes erwähnt. Dies gibt Grund zu der Annahme, dass das Lig. cruciatum caudale wesentlich häufiger rupturiert als diagnostiziert wird oder ein anderer Pathomechanismus als die Innenrotation der Tibia Auslöser für eine kraniale Kreuzbandruptur bei der Katze ist., Biomechanical loading and rotational analysis of the feline Ligamenta cruciata genus In the present study, the cruciate ligaments (Ligamenta cruciata genus) of cats were investigated for their biomechanical properties under cyclic tensile loading and their rupture behavior during internal rotation of the tibia. The cyclic loading test was carried out using the complete structure clamped in a material testing machine, consisting of the femur and tibia as well as the two cruciate ligaments. For the rotation test, a special rotation device was developed and constructed in the course of this work, which made it possible to convert the tensile forces of the material testing machine into a rotational movement. The typical biomechanical properties of viscoelastic tissues, such as stress relaxation, creep and hysteresis, were demonstrated for both the cranial and caudal cruciate ligaments. It was shown that cyclic loading could induce a rupture of the tissue (= partial or complete rupture of the cruciate ligament) at lower forces than in a tensile test. In some cases, the biomechanical data revealed that the yield point and associated plasticity had been exceeded without these ligaments showing pathological changes under the stereomicroscope. The caudal cruciate ligament showed a higher degree of percentage strain compared to the cranial cruciate ligament. Internal rotation of the tibia was performed both on knee joints opened prior to the test, in which all structures of the knee joint except the cruciate ligaments were removed, and on knee joints with a closed joint capsule. In the latter, the structures of the knee joint were examined for damage under a stereomicroscope after the rotation test. On average, a rotation angle of 54.79 ± 19.21° was reached until a structure ruptured or fractured. The rotation-induced failure load was also much lower in the case of rotation test than the force required for a failure test. This suggests and confirms published data that cruciate ligament rupture is often caused by internal rotation of the tibia. In this study, the most common Locus minoris resistentiae of the knee joint proved to be the caudal cruciate ligament. In the test design of knee joints opened before the test, the caudal cruciate ligament ruptured in all cases (100%), and in closed knee joints in 58.82% of cases, but only in 5.88% of cases the cranial cruciate ligament ruptured. A possible explanation is the smaller cross sectional area and less pronounced spiral orientation of the feline caudal cruciate ligament in relation to the cranial one. Due to the reduced twisting of the fibres, which normally results in greater strength, the caudal cruciate ligament cannot withstand the rotational forces acting on it and ruptures. The high rupture rate of the caudal cruciate ligament should also be reflected in clinical studies, but here it is mainly the rupture of the cranial cruciate ligament that is mentioned. This gives reason to believe that the caudal cruciate ligament ruptures much more frequently than it is diagnosed or that a pathomechanism other than internal rotation is the cause for a cranial cruciate ligament rupture in the cat.
Biomechanik, Kreuzband, Katze
Schliffka, Anne Louisa
2021
German
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Schliffka, Anne Louisa (2021): Biomechanische Belastungs- und Rotationsanalyse der Ligamenta cruciata genus der Katze. Dissertation, LMU München: Faculty of Veterinary Medicine
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Abstract

In der vorliegenden Studie wurden die Kreuzbänder (Ligamenta cruciata genus) von Katzen auf ihre biomechanischen Eigenschaften unter zyklischer Zugbelastung und ihr Rupturverhalten bei einer Innenrotation der Tibia untersucht. Die zyklische Belastungsuntersuchung erfolgte durch das in eine Materialprüfmaschine eingespannte Gesamtgefüge, bestehend aus Ober- und Unterschenkelknochen sowie den beiden Kreuzbändern. Für den Rotationsversuch wurde im Zuge dieser Arbeit eine spezielle Rotationsvorrichtung entwickelt und konstruiert, die eine Umwandlung der Zugkräfte der Materialprüfmaschine in eine Rotationsbewegung ermöglichte. Sowohl für das kraniale als auch das kaudale Kreuzband konnten die typischen biomechanischen Eigenschaften viskoelastischer Gewebe, wie Relaxation, Retardation und Hysterese nachgewiesen werden. Es zeigte sich, dass durch zyklische Belastung ein Bruch des Gewebes (= partielle oder vollständige Ruptur der Ligg. cruciata genus) bei geringeren Kräften und niedrigerer Dehnung als durch einphasige Distraktion herbeigeführt werden konnte. In einigen Fällen konnte durch die biomechanischen Daten eine Überschreitung der Fließgrenze und damit einhergehender Plastizität erkannt werden, ohne dass diese Bänder pathologische Veränderungen unter dem Stereomikroskop zeigten. Das kaudale Kreuzband fiel durch ein höheres Maß an prozentualer Dehnbarkeit im Verhältnis zum kranialen Kreuzband auf. Die Innenrotation der Tibia wurde sowohl an vor dem Versuchsbeginn eröffneten Kniegelenken, bei denen alle Strukturen des Kniegelenks außer den Ligg. cruciata genus entfernt wurden, als auch an Kniegelenken mit geschlossener Gelenkkapsel durchgeführt. Bei Letzteren wurden nach dem Rotationsversuch die Strukturen des Kniegelenks unter einem Stereomikroskop auf Schäden hin untersucht. Durchschnittlich wurde ein Rotationswinkel von 54,79 ± 19,21° erreicht, bis eine Struktur des Gesamtgefüges rupturierte oder frakturierte. Die rotationsinduzierte Bruchlast war auch im Falle des Rotationsversuches wesentlich geringer als die Kraft, die für einen einphasigen Zerreißversuch benötigt wird. Das legt die Vermutung nahe und bestätigt veröffentlichte Daten, dass eine Kreuzbandruptur häufig durch eine Innenrotation der Tibia verursacht wird. In dieser Studie erwies sich als häufigster Locus minoris resistentiae des Kniegelenks das kaudale Kreuzband. Beim Versuchsdesign der vor Versuchsbeginn eröffneten Kniegelenke rupturierte das kaudale Kreuzband in allen Fällen (100%), bei geschlossenen Kniegelenken in 58,82% der Fälle, aber nur in 5,88% der Fälle das kraniale Kreuzband. Eine mögliche Erklärung bietet die geringere Querschnittsfläche und weniger stark ausgeprägte Torquierung des felinen kaudalen Kreuzbandes im Verhältnis zum kranialen. Durch die verminderte Verdrillung der Fasern, die normalerweise eine höhere Festigkeit bewirkt, kann das kaudale Kreuzband den einwirkenden Rotationskräften nicht entgegenwirken und rupturiert. Die hohe Rupturrate des kaudalen Kreuzbandes müsste sich auch in klinischen Studien wiederfinden, hier wird allerdings überwiegend die Ruptur des kranialen Kreuzbandes erwähnt. Dies gibt Grund zu der Annahme, dass das Lig. cruciatum caudale wesentlich häufiger rupturiert als diagnostiziert wird oder ein anderer Pathomechanismus als die Innenrotation der Tibia Auslöser für eine kraniale Kreuzbandruptur bei der Katze ist.

Abstract

Biomechanical loading and rotational analysis of the feline Ligamenta cruciata genus In the present study, the cruciate ligaments (Ligamenta cruciata genus) of cats were investigated for their biomechanical properties under cyclic tensile loading and their rupture behavior during internal rotation of the tibia. The cyclic loading test was carried out using the complete structure clamped in a material testing machine, consisting of the femur and tibia as well as the two cruciate ligaments. For the rotation test, a special rotation device was developed and constructed in the course of this work, which made it possible to convert the tensile forces of the material testing machine into a rotational movement. The typical biomechanical properties of viscoelastic tissues, such as stress relaxation, creep and hysteresis, were demonstrated for both the cranial and caudal cruciate ligaments. It was shown that cyclic loading could induce a rupture of the tissue (= partial or complete rupture of the cruciate ligament) at lower forces than in a tensile test. In some cases, the biomechanical data revealed that the yield point and associated plasticity had been exceeded without these ligaments showing pathological changes under the stereomicroscope. The caudal cruciate ligament showed a higher degree of percentage strain compared to the cranial cruciate ligament. Internal rotation of the tibia was performed both on knee joints opened prior to the test, in which all structures of the knee joint except the cruciate ligaments were removed, and on knee joints with a closed joint capsule. In the latter, the structures of the knee joint were examined for damage under a stereomicroscope after the rotation test. On average, a rotation angle of 54.79 ± 19.21° was reached until a structure ruptured or fractured. The rotation-induced failure load was also much lower in the case of rotation test than the force required for a failure test. This suggests and confirms published data that cruciate ligament rupture is often caused by internal rotation of the tibia. In this study, the most common Locus minoris resistentiae of the knee joint proved to be the caudal cruciate ligament. In the test design of knee joints opened before the test, the caudal cruciate ligament ruptured in all cases (100%), and in closed knee joints in 58.82% of cases, but only in 5.88% of cases the cranial cruciate ligament ruptured. A possible explanation is the smaller cross sectional area and less pronounced spiral orientation of the feline caudal cruciate ligament in relation to the cranial one. Due to the reduced twisting of the fibres, which normally results in greater strength, the caudal cruciate ligament cannot withstand the rotational forces acting on it and ruptures. The high rupture rate of the caudal cruciate ligament should also be reflected in clinical studies, but here it is mainly the rupture of the cranial cruciate ligament that is mentioned. This gives reason to believe that the caudal cruciate ligament ruptures much more frequently than it is diagnosed or that a pathomechanism other than internal rotation is the cause for a cranial cruciate ligament rupture in the cat.