D6: Totalendoprothesendesign

Hintergrund
Der Einbau von Hüftendoprothesen ist mittlerweile ein Routineeingriff. In Deutschland werden jährlich etwa 220.000 Hüftprothesen implantiert. Somit gehört die Hüftendoprothese zu den am häufigsten implantierten Prothesen.
Trotz der langjährigen Erfahrung mit der Hüftendoprothetik kommt es nach wie vor zum frühzeitigen Versagen der Implantate. Die Hauptursache hierfür ist die aseptische Lockerung. Durch den Einbau einer Hüftprothese wird die physiologische Belastungssituation im Gelenk verändert. Der Knochen reagiert auf derartige Veränderungen durch Auf- oder Abbau von Gewebe je nach Unter- oder Überbelastung. Da ein Implantat eine höhere Steifigkeit als Knochengewebe hat, sind die von der Prothese abgeschirmten Flächen häufig unterbelastet. Dieser Effekt wird als „Stress Shielding“ bezeichnet. In Folge dessen kann es zur Implantatlockerung oder zum Wandern der Prothese (Migration) kommen. Das Implantat muss dann in den meisten Fällen ausgebaut und durch eine so genannte Revisionsprothese, welche größer dimensioniert ist, ersetzt werden. Um dies zu vermeiden, ist es wichtig, den belastungsadaptiven Knochenumbau im Gelenk nach der Versorgung mit einer Prothese abschätzen zu können.

Forschungsansatz
Ziel des Projekts ist die Entwicklung und Etablierung einer simulationsgestützten Methode zur Berechnung und Quantifizierung der Knochenumbauprozesse und der damit verbundenen Implantatlockerung sowie des Materialverschleißes der Prothesengleitkomponenten. Dafür sind folgende Untersuchungen notwendig.

Ganganalyse und Mehrkörpersimulation (MKS)
In Ganganalysen werden die Bewegungsdaten von Probanden aufgenommen. Unter Berücksichtigung weiterer Einflussgrößen wird dann ein MKS-Modell erzeugt. Mit Hilfe dieses Modells können die Kräfte im Hüftgelenk nach Einbau einer Totalendoprothese berechnet werden.

Simulation der belastungsadaptiven Knochenumbauprozesse mittels Finite-Elemen­te-Methode (FEM)
Auf Basis der im MKS-Modell berechneten Kräfte auf das Hüftgelenk, erfolgt die Berechnung des Knochenumbaus mit Hilfe der Finite-Element-Methode (FEM). Hierfür werden die Knochengeometrie sowie die Knocheneigenschaften, wie Dichte und Steifigkeit, aus CT-Daten gewonnen. Anschließend kann ein FE-Modell des Knochen-Prothese-Verbundes erstellt werden. Das Berechnungsergebnis ist die Dichteverteilung nach Erreichen eines Gleichgewichtszustandes zwischen Knochenauf- und -abbau. Ein Vergleich der Dichteverteilung im Femur vor und nach Einsatz des Implantats zeigt einen Knochenabbau im proximalen Verankerungsbereich der Prothese.

Vision der Forschungsarbeiten ist es, die FE-Simulation als präklinisches Werkzeug für die Entwicklung neuer Prothesendesigns zu etablieren und somit die Patientenzufriedenheit durch eine Verlängerung der Standzeiten der Implantate zu steigern.