Fügung modularer Verbindungen in der Orthopädie

Weichteilgewebereaktionen, die durch Metallpartikel hervorgerufen werden, stellen ein zunehmendes Problem in der Hüftendoprothetik dar. Die Metallpartikel können zum Knochenabbau um die Prothese führen und diese dadurch lockern oder die Bildung schmerzhafter Pseudotumoren verursachen, was einen Austausch der Prothese erfordern kann. Als eine Quelle für die Freisetzung von Metallpartikeln wurde die Konus-Steckverbindung zwischen Prothesenkopf und Schaft identifiziert. Bestimmte Prothesendesigns, Patienten- und Implantationsparameter können Korrosion und Relativbewegungen in der Konusverbindung begünstigen und folglich die Entstehung von Metallpartikeln.

Ziel dieser Arbeit war es, eine Methode zur Bestimmung intraoperativer Kräfte zu entwickeln, den Einfluss verschiedener Fügeparameter auf die Festigkeit der Kopf-Schaft-Konusverbindung zu ergründen und Risikofaktoren für die Oberflächenschädigung in der Konusverbindung zu identifizieren.

Zur Messung intraoperativer Kräfte erwies sich die Integration eines Kraftsensors im Einschlaginstrument als ungeeignet. Daher wurde aus den gemessenen Beschleunigungen am Einschlaginstrument die aufgebrachte Kraft berechnet. Anhand experimenteller Untersuchungen an einem Feder-Masse-Versuchsstand und in einer Leichenstudie sowie mittels eines Simulationsmodells wurde der Einfluss von Patienten- und Instrumenteneigenschaften auf die Kraft- Beschleunigungs-Korrelation am Einschlaginstrument untersucht, um mit deren Hilfe die intraoperative Kraft zu bestimmen. Der Einfluss verschiedener Design- und Fügeparameter auf die Festigkeit der Konusverbindung beziehungsweise die Relativbewegungen zwischen Prothesenkopf und Hüftschaft wurde in experimentellen oder numerischen Studien untersucht. Dafür wurden die Fügekraft, die Fügemethode, die Materialpaarung, die Protheseneinbettung, die Kopfgröße, die Konuswinkeldifferenz und der Konusdurchmesser variiert. Mittels der Finite-Elemente-Methode wurden die Auswirkungen der in vivo auftretenden Gelenkbelastungen auf die Kopf-Schaft- Konusverbindung analysiert.

Es wurde ein linearer Zusammenhang zwischen Beschleunigung und Kraft am Einschlaginstrument festgestellt, der von der Implantatmasse sowie der Steifigkeit und Masse des Einschlaginstruments abhängt. Unter Berücksichtigung dieser Faktoren eignet sich die gemessene Beschleunigung am Einschlaginstrument zur Berechnung der intraoperativen Kraft und somit zur Untersuchung von Schlagvorgängen bei Prothesenimplantationen. Die Untersuchungen der Einflussfaktoren bei der Fügung von Konusverbindungen zeigten, dass unter anderem die Fügekraft von entscheidender Bedeutung für die Reduzierung der lokalen Relativbewegungen in der Konusverbindung ist. Diese können darüber hinaus durch die Kombination bestimmter Konuswinkel von Kopf und Schaft in Abhängigkeit von der Materialpaarung sowie die Wahl größerer Konusdurchmesser verringert werden.

Anhand der identifizierten Risikofaktoren für Relativbewegungen in der Konus-Steckverbindung wurden Ansätze zur zukünftigen Reduzierung der Oberflächenschädigung zwischen Kopf- und Schaftkonus aufgezeigt. Seitens der Operateure ist insbesondere auf einen ersten festen Schlag mit einer Kraft von mindestens 4kN während der intraoperativen Fügung zu achten. Weiterhin ist seitens der Prothesenhersteller verstärkter Wert auf die Einhaltung strenger Fertigungstoleranzen zu legen, um günstige Konuswinkeldifferenzen zwischen den Prothesenkomponenten zu gewährleisten.