Master-Thesis

Optimierung der Druck- und Zugverteilung

im Ersatzsystem der Hüftgelenkpfanne

Problemstellung und Konzeptentwurf

Daniel Wladow

2007

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Danksagung

Mein Dank gilt

den Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern der Helmut-Schmidt-Universität / Universität

der Bundeswehr Hamburg sowie der Hochschule für Angewandte Wissenschaften

Hamburg, die mir sachlich und persönlich stets behilflich waren und so zum Gelingen

dieser Master-Thesis beigetragen haben.

Mein besonderer Dank gilt

Herrn Prof. Dr. rer. nat. Heinrich Heitmann, HAW Hamburg,

für die freundliche Übernahme des Erstgutachtens und die mir gegebenen Hinweise

während meines Studiums und meiner Master-Thesis, die mir in formalen Fragen

unverzichtbar und als fachliche Unterstützung hervorragend dienlich waren,

Herrn Prof. Dr.-Ing. Frank Mantwill, HSU / UniBw Hamburg,

für die freundliche Übernahme des Zweitgutachtens und die vertrauensvolle Überlas-

sung des Themas,

Herrn Dipl.-Ing. M.Sc. Mohamad Tarabolsi, HSU / UniBw Hamburg,

für die professionelle Betreuung bei der Erarbeitung der Inhalte dieser Master-Thesis,

seine freundschaftliche Unterstützung und Anteilnahme.

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Zusammenfassung

In Deutschland erhalten jährlich rund 200.000 Menschen ein künstliches Hüftgelenk.

Das Ziel eines solchen Hüftgelenkersatzes ist eine möglichst dauerhafte und optima-

le Wiederherstellung der Funktion des betroffenen Gelenks, das durch Abnutzung,

Fehlbildung oder Unfall geschädigt ist. Die für einen vollständigen Gelenkersatz ver-

wendete Totalendoprothese (TEP) besteht dabei aus einer in den Beckenknochen zu

implantierenden künstlichen Hüftpfanne sowie aus einer Schaftprothese mit Kugel-

kopf, die in den Oberschenkelknochen eingesetzt wird.

Bei der Entwicklung von künstlichen Hüftpfannen spielt die Geometrie des Hüftge-

lenks eine entscheidende Rolle. Da die natürliche Gelenkpfanne annähernd halbku-

gelförmig ist, bietet sich diese Form auch für die Implantate an. Eine höhere Stabilität

im knöchernen Lager besitzen hingegen andere Pfannenformen. Das verwendete

Material und die Beschaffenheit der Schalenoberfläche sind nur zwei von vielen wei-

teren Faktoren, die einen Einfluss auf die Langzeitstabilität von künstlichen Hüftpfan-

nen haben. Nicht zuletzt ist auch die Kinematik der Pfannenschale, d. h. ihre Implan-

tationsrichtung für eine optimale Fixierung des orthopädischen Knochenimplantats

und einen ausreichenden Bewegungsumfang im künstlichen Hüftgelenk von Bedeu-

tung.

Die Arbeit beschäftigt sich mit den zahlreichen Einflussfaktoren auf künstliche Hüft-

pfannen. Dies soll einen Aufschluss über Stabilitätskriterien des Hüftgelenkersatzes

geben, die im Optimierungsprozess von künstlichen Hüftpfannen von Bedeutung sein

können. Neben der ausführlichen Problemstellung wird ein Konzeptentwurf für eine

Optimierung der Druck- und Zugverteilung im Ersatzsystem der Hüftgelenkpfanne

ausgearbeitet und vorgestellt. Zunächst wird der aktuelle Stand der Technik für ze-

mentierte und zementfrei zu implantierende Hüftpfannen beschrieben. Anschließend

wird die Arbeitshypothese formuliert und anhand eines Ordnungsschemas am Bei-

spiel von zwei zuvor als wesentlich ermittelten Einflussfaktoren begründet. In Anfor-

derungslisten werden zudem einige Forderungen und Wünsche für modulare Press-

fit- und Schraubpfannen festgelegt.

Die Ergebnisse der Arbeit fließen im Rahmen des Projektes RomEo, an dem die

Helmut-Schmidt-Universität und das Berufsgenossenschaftliche Unfallkrankenhaus

Hamburg beteiligt sind, in ein Teilprojekt zur Optimierung und Weiterentwicklung des

Hüftgelenkersatzes ein.

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Abstract

Each year about 200.000 people in Germany receive an artificial hip joint. The aim of

such a hip replacement is, ideally, the permanent and optimal restoration of the

function of the affected joint which has been damaged through wear, deformity or

accident. The total hip joint endoprosthesis which is being used for a complete joint

replacement consists of an artificial hip socket for implantation into the pelvic bone

and of a shaft prosthesis with a spherical head to be inserted into the femur.

The geometry of the hip joint plays an essential role in the development of artificial

hip sockets. Since the natural hip socket is practically hemispherical, this shape

suggests itself also for the implants. Other socket shapes, however, possess a higher

stability within the bone mount. The material and the texture of the surface of the

socket cup are only two of many other factors which have an influence on the long-

term stability of artificial hip sockets. Last but not least also the kinematics of the

socket cup, i.e. the direction in which it is being implanted, are of significance for an

optimal fixation of the orthopaedic bone implant and a sufficient range of motion

within the artificial hip joint.

The paper deals with the numerous factors which have an influence on artificial hip

sockets. It is to give information about the criteria affecting the stability of the hip joint

replacement, which may be of importance in the process of optimising artificial hip

sockets. In addition to a detailed outline of the problem, a draft concept for the

optimisation of the stress and strain distribution within the replacement system of the

hip joint socket is being drawn up and presented. First of all, the current state-of-the

art technology for cemented and cement-free hip socket implants is being described.

Subsequently, the working hypothesis is being formulated and substantiated by

means of an order scheme, using the example of two influencing factors which had

previously been identified as vital. In addition, several demands and requests for

modular press-fit and screw sockets are being specified in requirement lists.

The results of this work contribute within the scope of the project RomEo in which the

Helmut Schmidt University and the Trauma Hospital of the Workman′s

Compensation, Center for Reconstructive, Orthopedic Surgery and Rehabilitation, in

Hamburg participate, to a subproject for the optimisation and further development of

hip joint replacements.

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Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung 1

2. Anatomie und Histologie 3

2.1 Stützgewebe 3

2.1.1 Knorpelgewebe 3

2.1.2 Knochengewebe 5

2.1.3 Vergleich Knochen ­ Knorpel 9

2.2 Muskelgewebe 10

2.2.1 Glattes Muskelgewebe 10

2.2.2 Quergestreiftes Muskelgewebe 12

2.3 Achsen, Ebenen und Orientierungsbezeichnungen 17

2.3.1 Körperachsen und Körperebenen 17

2.3.2 Lage- und Richtungsbezeichnungen 19

2.3.3 Bewegungsrichtungen des Rumpfes und der Extremitäten 20

2.4 Anatomie des Hüftgelenks 21

2.4.1 Gelenkpfanne 21

2.4.2 Gelenkkopf 24

2.4.3 Ausrichtung des Gelenks 25

2.4.4 Gelenkkapsel 26

2.4.5 Mechanik 29

2.4.6 Gefäßversorgung 35

2.4.7 Innervation 36

2.5 Ärztliche Topographie und Zugänglichkeit 38

3. Werkstoffe und Hüftpfannen 43

3.1 Werkstoffe 43

3.1.1 Metalle 43

3.1.2 Keramiken 46

3.1.3 Kunststoffe 47

3.2 Werkstoffeignung 49

3.2.1 Anforderungen an Implantate 49

3.2.2 Anforderungen an Implantatwerkstoffe 50

3.2.3 Gestaltungseinfluss 52

3.2.4 Beurteilung 53

VII

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3.2.5 Ergebnisse 54

3.3 Hüftpfannen 59

3.3.1 Zementierte Hüftpfannen 59

3.3.2 Zementfreie Hüftpfannen 60

3.3.3 Material und Oberfläche 66

3.3.4 Osseointegration 67

3.3.5 Ergebnisse 71

4. Biomechanik 73

4.1 Kontaktkraft im Hüftgelenk 73

4.1.1 Das Rechenmodell von Pauwels 73

4.1.2 Einfluss von Anatomie und Muskelfunktion auf die Kontaktkraft 75

4.2 Gelenkdruck 78

4.3 Knochenumbau 79

4.4 Endoprothesen 81

4.5 Belastung des Hüftgelenks bei komplexen Aktivitäten 82

4.5.1 Kraftberechnung 82

4.5.2 Kraftmessung 83

4.5.3 Spannungsberechnung 85

4.6 In vivo wirkende Kräfte im Hüftgelenk 87

4.6.1 Stehen 87

4.6.2 Gehen und Joggen 89

4.6.3 Treppensteigen 93

4.6.4 Aufstehen und Hinsetzen 96

4.6.5 Kniebeugen 98

4.6.6 Krankengymnastik 99

4.6.7 Gehen mit Unterarmgehstützen 99

4.6.8 Stolpern 99

4.6.9 Fahrrad fahren 100

4.6.10 Einfluss von Schuhwerk und Bodenmaterial 100

4.6.11 Belastungsrichtungen 101

4.6.12 Drehbelastung von Hüftimplantaten 102

4.7 Erwärmung von Hüftimplantaten 103

4.8 Bewegungsumfang 104

4.8.1 Implantatposition 105

VIII

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4.8.2 Implantatdesign 107

4.8.3 Ergebnisse 110

5. Konzeptentwurf 114

5.1 Stand der Technik 114

5.1.1 Zementierte Hüftpfannen 114

5.1.2 Zementfreie Hüftpfannen 115

5.2 Optimierung der Druck- und Zugverteilung 118

5.2.1 Arbeitshypothese 118

5.2.2 Einflussfaktoren 120

5.2.3 Ordnungsschema am Beispiel von zwei Einflussfaktoren 124

5.2.4 Anforderungslisten 127

6. Zusammenfassung und Ausblick 138

7. Literaturverzeichnis 141

A. Abbildungsverzeichnis 157

B. Tabellenverzeichnis 160

C. Abkürzungsverzeichnis und verwendete Formelzeichen 161

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1. Einleitung

Allein in Deutschland erhalten jährlich rund 200.000 Menschen ein künstliches Hüft-

gelenk, weltweit sind es etwa 1,5 Millionen. Das Ziel eines solchen Hüftgelenkersat-

zes ist eine möglichst dauerhafte und optimale Wiederherstellung der Funktion des

betroffenen Gelenks.

Eine durch Abnutzung, Fehlbildung oder Unfall verursachte Hüftgelenksarthrose er-

fordert häufig den vollständigen Gelenkersatz. Die hierfür verwendete Totalen-

doprothese (TEP) besteht aus einer in den Beckenknochen zu implantierenden

künstlichen Hüftpfanne sowie aus einer Schaftprothese mit Kugelkopf, die in den

Oberschenkelknochen eingesetzt wird. Während die Schaftprothese entweder in den

Knochen einzementiert oder dort verklemmt wird, kann die künstliche Hüftpfanne

auch eingeschraubt werden. Bei den zementfrei zu implantierenden Hüftpfannen un-

terscheidet man daher zwischen Pressfit- und Schraubpfannen. Als Implantatwerk-

stoffe werden hauptsächlich Metalle wie Titan und seine Legierungen, Keramiken

sowie Kunststoffe wie Polyethylen verwendet.

Zahlreiche aktuelle Hüftendoprothesen sind modular aufgebaut. Hierdurch lassen

sich die beteiligten Implantatkomponenten so miteinander kombinieren, dass z. B.

durch die gezielte Auswahl der Gleitpaarung, also der Materialpaarung von Kugel-

kopf und Pfanneneinsatz, eine Verbesserung des Bewegungsumfangs und der Stabi-

lität des künstlichen Hüftgelenks erreicht werden kann.

Aufgrund der gestiegenen Lebenserwartung und durch die Erweiterung der Indikatio-

nen für die Implantation von künstlichen Gelenken insbesondere auf jüngere Patien-

ten müssen für moderne Hüftendoprothesen deutlich verlängerte Standzeiten ge-

währleistet werden. Die mit Abstand häufigste Ursache für ein Implantatversagen mit

nachfolgender Wechseloperation ist dabei die aseptische Prothesenlockerung. Ur-

sächlich hierfür sind vor allem Abriebprodukte aus Polyethylen, die in das Implantat-

Knochen-Interface eindringen und dort zu einer Knochenresorption führen. Eine be-

friedigende Lösung für dieses Problem gibt es trotz jahrelanger Forschung auf die-

sem Gebiet bislang nicht.

Bei der Entwicklung von künstlichen Hüftpfannen spielt die Geometrie des Hüftge-

lenks eine entscheidende Rolle. Da die natürliche Gelenkpfanne annähernd halbku-

gelförmig ist, bietet sich diese Form auch für die Implantate an. Eine höhere Stabilität

1

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im knöchernen Lager besitzen hingegen konische, parabole oder elliptische Pfannen-

formen.

Das verwendete Material und die Beschaffenheit der Schalenoberfläche sind nur

zwei von vielen weiteren Faktoren, die einen Einfluss auf die Langzeitstabilität von

künstlichen Hüftpfannen haben. Nicht zuletzt ist auch die Kinematik der Pfannen-

schale, d. h. ihre Implantationsrichtung für eine optimale Fixierung des orthopädi-

schen Knochenimplantats und einen ausreichenden Bewegungsumfang im künstli-

chen Hüftgelenk von Bedeutung.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den zahlreichen Einflussfaktoren auf

künstliche Hüftpfannen. Dies soll einen Aufschluss über Stabilitätskriterien des Hüft-

gelenkersatzes geben, die im Optimierungsprozess von künstlichen Hüftpfannen von

Bedeutung sein können.

Im zweiten Kapitel wird zunächst die Anatomie und Histologie des Hüftgelenks und

dessen Gewebe erläutert. Weiterhin werden Termini technici und wichtige Orientie-

rungsbezeichnungen erklärt. Das dritte Kapitel befasst sich anschließend mit den

unterschiedlichen Hüftpfannentypen, ihren Werkstoffen und deren Eignung für einen

dauerhaften Verbleib im menschlichen Körper. Im vierten Kapitel wird dann näher auf

die Biomechanik des Hüftgelenks eingegangen. Die anhand von Berechnungsverfah-

ren und Messsystemen ermittelten, im natürlichen und künstlichen Hüftgelenk wir-

kenden Kräfte werden für verschiedene Aktivitäten analysiert. Außerdem werden die

Einflussfaktoren auf den Bewegungsumfang und die Stabilität des künstlichen Hüft-

gelenks ermittelt und näher betrachtet. Das fünfte Kapitel enthält schließlich den

Konzeptentwurf für eine Optimierung der Druck- und Zugverteilung im Ersatzsystem

der Hüftgelenkpfanne, der sich in zwei Teile gliedert. Zunächst wird der aktuelle

Stand der Technik für zementierte und zementfrei zu implantierende Hüftpfannen

beschrieben. Anschließend wird die Arbeitshypothese formuliert und anhand eines

Ordnungsschemas am Beispiel von zwei zuvor als wesentlich ermittelten Einflussfak-

toren begründet. In Anforderungslisten werden zudem einige Forderungen und Wün-

sche für modulare Pressfit- und Schraubpfannen festgelegt.

Die Ergebnisse dieser Arbeit fließen im Rahmen des Projektes RomEo, an dem die

Helmut-Schmidt-Universität und das Berufsgenossenschaftliche Unfallkrankenhaus

Hamburg beteiligt sind, in ein Teilprojekt zur Optimierung und Weiterentwicklung des

Hüftgelenkersatzes ein.

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2. Anatomie und Histologie

2.1 Stützgewebe

Als typische Stützgewebe gelten vor allem das Knorpel- und das Knochengewebe.

Sie enthalten überwiegend kollagene Fasern und besitzen damit die Zugfestigkeit

von Bindegewebsstrukturen. Durch besondere Ausbildung der Extrazellularmatrix

beim Knorpel und durch Einlagerung von Kalksalzen beim Knochen wird zusätzlich

die Druckfestigkeit erhöht.

2.1.1 Knorpelgewebe

Knorpelgewebe kommt hauptsächlich im Skelett und in den Luftwegen vor. Kenn-

zeichnend für dieses Stützgewebe sind die Knorpelzellen (Chondrozyten), die mehr

oder weniger abgerundet sind, in kleinen Gruppen (Chondrone) in der Knorpelgrund-

substanz (Extrazellularmatrix) liegen und sich gegenseitig nicht berühren. Siehe hier-

zu

Abb. 2.1

. Je nach Art und Menge der Fasern unterscheidet man zwischen hyali-

nem Knorpel, elastischem Knorpel und Faserknorpel. Beim Erwachsenen sind alle

drei Knorpelarten frei von Blutgefäßen. Ihre Versorgung mit Nährstoffen erfolgt durch

Diffusion; entweder durch eine gefäßführende Knorpelhaut (Perichondrium) oder di-

rekt durch die Gelenkflüssigkeit (Synovia), wie es beim hyalinen Gelenkknorpel der

Fall ist. Die Knorpelentwicklung geht vom Perichondrium aus, allerdings ist die Re-

generationsfähigkeit von Knorpel sehr gering. Fehlt das Perichondrium, wie beim hy-

alinen Gelenkknorpel, findet gar keine Neubildung statt. Knorpel zeichnet sich wei-

terhin durch eine hohe Druckfestigkeit aus, er ist viskoelastisch verformbar und be-

sitzt einen hohen Widerstand gegenüber Scherkräften.

Hyaliner Knorpel sieht in frischem Zustand bläulich-milchig aus und wird aufgrund

seiner durchscheinenden Beschaffenheit häufig als glasartig bezeichnet. Er überzieht

als Gelenkknorpel die Gelenkflächen, bildet den Rippenknorpel, einen Teil der Na-

senscheidewand, das Kehlkopfskelett und die Spangen der Luftröhre sowie der gro-

ßen Bronchien. Während der Embryonalperiode wird der größte Teil des späteren

knöchernen Skeletts knorpelig vorgebildet. Beim Heranwachsenden bestehen die

Wachstumsfugen (Epiphysenfugen) innerhalb der Röhrenknochen aus hyalinem

Knorpel, der erst nach Abschluss des Wachstums durch Knochen ersetzt wird. Der

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