In Deutschland erhalten jährlich rund 200.000 Menschen ein künstliches Hüftgelenk. Das Ziel eines solchen Hüftgelenkersatzes ist eine möglichst dauerhafte und optimale Wiederherstellung der Funktion des betroffenen Gelenks, das durch Abnutzung, Fehlbildung oder Unfall geschädigt ist. Die für einen vollständigen Gelenkersatz verwendete Totalendoprothese (TEP) besteht dabei aus einer in den Beckenknochen zu implantierenden künstlichen Hüftpfanne sowie aus einer Schaftprothese mit Kugelkopf, die in den Oberschenkelknochen eingesetzt wird.
Bei der Entwicklung von künstlichen Hüftpfannen spielt die Geometrie des Hüftgelenks eine entscheidende Rolle. Da die natürliche Gelenkpfanne annähernd halbkugelförmig 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 weiteren Faktoren, die einen Einfluss auf die Langzeitstabilität von künstlichen Hüftpfannen haben. Nicht zuletzt ist auch die Kinematik der Pfannenschale, d. h. ihre Implantationsrichtung für eine optimale Fixierung des orthopädischen Knochenimplantats und einen ausreichenden Bewegungsumfang im künstlichen Hüftgelenk von Bedeutung.
Die Arbeit beschäftigt sich mit den zahlreichen Einflussfaktoren auf künstliche Hüftpfannen. 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 zementierte und zementfrei zu implantierende Hüftpfannen beschrieben. Anschließend wird die Arbeitshypothese formuliert und anhand eines Ordnungsschemas am Beispiel von zwei zuvor als wesentlich ermittelten Einflussfaktoren begründet. In Anforderungslisten werden zudem einige Forderungen und Wünsche für modulare Pressfit- 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.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
2. Anatomie und Histologie
2.1 Stützgewebe
2.1.1 Knorpelgewebe
2.1.2 Knochengewebe
2.1.3 Vergleich Knochen – Knorpel
2.2 Muskelgewebe
2.2.1 Glattes Muskelgewebe
2.2.2 Quergestreiftes Muskelgewebe
2.3 Achsen, Ebenen und Orientierungsbezeichnungen
2.3.1 Körperachsen und Körperebenen
2.3.2 Lage- und Richtungsbezeichnungen
2.3.3 Bewegungsrichtungen des Rumpfes und der Extremitäten
2.4 Anatomie des Hüftgelenks
2.4.1 Gelenkpfanne
2.4.2 Gelenkkopf
2.4.3 Ausrichtung des Gelenks
2.4.4 Gelenkkapsel
2.4.5 Mechanik
2.4.6 Gefäßversorgung
2.4.7 Innervation
2.5 Ärztliche Topographie und Zugänglichkeit
3. Werkstoffe und Hüftpfannen
3.1 Werkstoffe
3.1.1 Metalle
3.1.2 Keramiken
3.1.3 Kunststoffe
3.2 Werkstoffeignung
3.2.1 Anforderungen an Implantate
3.2.2 Anforderungen an Implantatwerkstoffe
3.2.3 Gestaltungseinfluss
3.2.4 Beurteilung
3.2.5 Ergebnisse
3.3 Hüftpfannen
3.3.1 Zementierte Hüftpfannen
3.3.2 Zementfreie Hüftpfannen
3.3.3 Material und Oberfläche
3.3.4 Osseointegration
3.3.5 Ergebnisse
4. Biomechanik
4.1 Kontaktkraft im Hüftgelenk
4.1.1 Das Rechenmodell von Pauwels
4.1.2 Einfluss von Anatomie und Muskelfunktion auf die Kontaktkraft
4.2 Gelenkdruck
4.3 Knochenumbau
4.4 Endoprothesen
4.5 Belastung des Hüftgelenks bei komplexen Aktivitäten
4.5.1 Kraftberechnung
4.5.2 Kraftmessung
4.5.3 Spannungsberechnung
4.6 In vivo wirkende Kräfte im Hüftgelenk
4.6.1 Stehen
4.6.2 Gehen und Joggen
4.6.3 Treppensteigen
4.6.4 Aufstehen und Hinsetzen
4.6.5 Kniebeugen
4.6.6 Krankengymnastik
4.6.7 Gehen mit Unterarmgehstützen
4.6.8 Stolpern
4.6.9 Fahrrad fahren
4.6.10 Einfluss von Schuhwerk und Bodenmaterial
4.6.11 Belastungsrichtungen
4.6.12 Drehbelastung von Hüftimplantaten
4.7 Erwärmung von Hüftimplantaten
4.8 Bewegungsumfang
4.8.1 Implantatposition
4.8.2 Implantatdesign
4.8.3 Ergebnisse
5. Konzeptentwurf
5.1 Stand der Technik
5.1.1 Zementierte Hüftpfannen
5.1.2 Zementfreie Hüftpfannen
5.2 Optimierung der Druck- und Zugverteilung
5.2.1 Arbeitshypothese
5.2.2 Einflussfaktoren
5.2.3 Ordnungsschema am Beispiel von zwei Einflussfaktoren
5.2.4 Anforderungslisten
6. Zusammenfassung und Ausblick
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Arbeit untersucht die zahlreichen Einflussfaktoren auf künstliche Hüftpfannen, um Stabilitätskriterien für den Hüftgelenkersatz zu definieren und einen Konzeptentwurf zur Optimierung der Druck- und Zugverteilung im Ersatzsystem zu entwickeln.
- Anatomische und histologische Grundlagen des Hüftgelenks.
- Werkstoffkunde und Eignung von Implantatmaterialien.
- Biomechanische Belastungsanalysen und Kräfte im Hüftgelenk.
- Systematische Anforderungen an zementfreie Hüftpfannen-Konstruktionen.
Auszug aus dem Buch
3.1.2 Keramiken
Keramiken werden ausschließlich in druckbelasteten Implantaten mit hohem Verschleißrisiko eingesetzt, z. B. als künstliche Hüftpfannen. Bei direktem Kontakt zwischen glatter Keramik und Knochen kann das Implantat jedoch nicht in den Knochen einwachsen (Osseointegration). Es wird daher zunächst eine Pfannenschale (Cup) aus Titan (Ti) implantiert, die aufgrund ihrer rauen Oberfläche gut einwächst. In diesem Cup kann die Keramik schließlich als Pfanneneinsatz (Inlay) verankert werden. Eine Ausnahme bilden hier Keramiken, die mit Hydroxylapatit (HA) beschichtet sind. HA besteht aus dem bioaktiven Ca5(PO4)3OH und fördert durch seine biochemische Tarnung die Osseointegration. Hierdurch ist es möglich, dass ein Implantat auch bei direktem Kontakt zwischen Keramik und Knochen osseointegriert wird.
Aluminiumoxidkeramiken (Alumina) wurden bereits vor ca. 35 Jahren als Gleitflächenmaterial eingeführt. Vor ca. 15 Jahren wurden in den USA erstmals Zirconiumdioxidkeramiken (Zirconia), kurz Zirkonoxid, für den Hüftgelenkersatz verwendet. Heute kommen die wesentlich zäheren Y-TZP-Zirconiumdioxidkeramiken (Yttria stabilized Tetragonal Zirconia Polycrystal) zum Einsatz.
Aufgrund ihrer kristallinen Struktur entspricht die Festigkeit einer Keramik dem Widerstand gegenüber Rissbrüchen. Eine plastische Verformung ist somit nicht oder nur sehr eingeschränkt möglich. Um die Festigkeit einer Keramik zu verbessern, müssen daher Korngröße und Zähigkeit gleichermaßen berücksichtigt werden. Je kleiner die Körner hierbei sind, desto höher ist die Festigkeit des Materials. Die Korngröße selbst wird dabei maßgeblich durch das Erstarrungs- und Kristallisationsverfahren bestimmt.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Beschreibt die klinische Relevanz des Hüftgelenkersatzes, die Problematik der Implantatlockerung und die Zielsetzung der Arbeit zur Optimierung der Pfannenstabilität.
2. Anatomie und Histologie: Erläutert die biologischen Grundlagen der Gelenkstrukturen, Muskelgewebe und die für den Ingenieur wichtigen anatomischen Orientierungspunkte.
3. Werkstoffe und Hüftpfannen: Analysiert die Eigenschaften von Metallen, Keramiken und Kunststoffen sowie deren Eignung als Implantatmaterial und die unterschiedlichen Typen von Hüftpfannen.
4. Biomechanik: Behandelt die physikalischen Belastungsmodelle sowie die in vivo auftretenden Kräfte bei verschiedenen menschlichen Aktivitäten und deren Einfluss auf den Knochenumbau.
5. Konzeptentwurf: Stellt den aktuellen Stand der Technik dar, formuliert die Arbeitshypothese und definiert in Anforderungslisten die Kriterien für eine optimierte Hüftpfannenentwicklung.
6. Zusammenfassung und Ausblick: Fasst die interdisziplinären Erkenntnisse zusammen und unterstreicht die Notwendigkeit präziserer Planungsmethoden und optimierter Lastübertragungskonzepte.
Schlüsselwörter
Hüftgelenkersatz, Totalendoprothese, Hüftpfanne, Biomechanik, Kontaktkraft, Osseointegration, Implantatstabilität, Werkstoffeignung, Pressfitpfannen, Schraubpfannen, Lastübertragung, Range of Motion, Knochenumbau, Hydroxylapatit, Anforderungsliste.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit widmet sich der Optimierung der Druck- und Zugverteilung bei künstlichen Hüftpfannen, um die Langzeitstabilität des Gelenkersatzes zu erhöhen.
Welche zentralen Themenfelder werden behandelt?
Die Schwerpunkte liegen auf der Anatomie des Hüftgelenks, der Materialkunde für Implantate, biomechanischen Berechnungsmodellen und den Konstruktionsmerkmalen moderner Hüftpfannen.
Was ist das primäre Ziel der Forschung?
Ziel ist es, ein besseres Verständnis für Stabilitätskriterien zu entwickeln und einen Konzeptentwurf zu erstellen, der eine physiologisch optimierte Lastübertragung zwischen Implantat und Knochen ermöglicht.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Arbeit nutzt eine interdisziplinäre Kombination aus biomechanischer Analyse, Materialbewertung basierend auf Fachliteratur und der Erstellung systematischer Anforderungslisten für Implantatdesigns.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in eine fundierte anatomische Einführung, eine detaillierte Analyse der Material- und Werkstoffeigenschaften sowie eine umfangreiche Untersuchung der in vivo wirkenden Kräfte und deren Auswirkungen auf das Implantatdesign.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind Hüftgelenkersatz, Osseointegration, biomechanische Lastübertragung, Implantatmaterialien und Anforderungsanalyse.
Warum ist die Wahl des Pfannendesigns für die Stabilität so wichtig?
Das Design bestimmt, wie Kräfte in den Knochen eingeleitet werden. Ein optimales Design reduziert Fehlbelastungen und Mikrobewegungen, welche die Hauptursachen für aseptische Lockerungen darstellen.
Welche Rolle spielt die Oberflächenbeschaffenheit bei zementfreien Implantaten?
Eine raue Oberfläche fördert die Osseointegration, also das direkte Einwachsen von Knochengewebe in das Implantat, was für die langfristige Sekundärstabilität entscheidend ist.
Warum ist der Bewegungsumfang (Range of Motion) von Bedeutung?
Ein eingeschränkter Bewegungsumfang führt bei alltäglichen Belastungen zu einem Impingement, bei dem Prothesenteile anschlagen, was Materialverschleiß provoziert und das Luxationsrisiko signifikant erhöht.
- Quote paper
- Daniel Wladow (Author), 2007, Optimierung der Druck- und Zugverteilung im Ersatzsystem der Hüftgelenkpfanne – Problemstellung und Konzeptentwurf, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/117799
