Vergleichende experimentelle Untersuchungen zum Steifigkeits-, Verformungs- und Dämpfungsverhalten unterschiedlicher Hüftgelenktotalendoprothesen unter dynamischer Belastung

Zusammenfassung

Die biomechanischen Ursachen für das Wanderungs- und Lockerungsverhalten von Hüftgelenkendoprothesen sind bislang immer noch unklar. Insbesondere kann eine chronische mechanische Überlastung der Grenzschichten aufgrund geänderter Steifigkeits- und Dämpfungseigenschaften des Gesamtsystems nicht ausgeschlossen werden.

Insgesamt ist das dynamische Werkstoff- und Bauteilverhalten von künstlichen Hüftgelenken unter den Aspekten der Materialauswahl und der konstruktiven Gestaltung bislang wenig untersucht worden. Die durchgeführte experimentelle Arbeit hatte zum Ziel die Kenntnisse dieser mechanischen Eigenschaften von Hüftgelenkprothesen durch vergleichende Untersuchung zu vervollständigen. Im Vordergrund stand hierbei die quantitative Erfassung der Einflüsse von Gestalt, Abmessung und Werkstoff unterschiedlicher Endoprothesentypen auf das dynamische Verhalten von Hüftgelenkpfannen. Zudem wurde in der vorliegenden Studie eine Untersuchungsmethode angewandt, die signifikant von bisherigen Verfahren abweicht.

Die bekannten Belastungseinrichtungen arbeiten nach dem Prinzip der Konstanthaltung der Maximalkraft und Erregerfrequenz, meist unter einem harmonischen Lastverlauf und berücksichtigen nicht die aus der Körpermasse resultierenden Trägheitskräfte. Obgleich gerade diese für die Beurteilung von Endoprothesenkomponenten hinsichtlich ihrer dynamischen Eigenschaften entscheidend sind.

In der vorliegenden Untersuchung wurde deshalb eine Prüfeinrichtung nach dem „Masse-, Feder-, Dämpfer-“ Prinzip neu entwickelt. Es wurde eine Auswahl marktüblicher Implantate von verschiedenen Herstellern aus unterschiedlichen Werkstoffgruppen, in unterschiedlicher Implantationstechnik und mit unterschiedlichen geometrischen Abmessungen untersucht, um den jeweiligen Einfluß auf das dynamische Prothesenverhalten zu erhalten. Zur Einschätzung der Ergebnisse wurden zusätzlich Untersuchungen an natürlichen Hüftgelenken von Tieren durchgeführt.

Summary

The biomechanical reasons for moving and loosening of the acetabular cup and femoral prosthesis are still unclarified. Especially, chronic and mechanical overloads of the inferfaces, which are caused by the change of stiffness and damping properties of the whole system, cannot be excluded.

To date, the description of dynamic behaviour of hip-joint endoprostheses from the viewpoint of material selection and design is insufficient. On the basis of comparative experiments, this publication aims to complete the knowledge about mechanical properties of artificial hip joints. Primarily, we focused on the quantitative registration of certain influences (e. g. design, dimensions and material) on the dynamic properties of different kinds of acetabulum cups.

Therefore, a significant new test method was developed for this examination. Conventional test methods work according to the principle of constancy of maximum forces and excitation frequencies. They do not consider the forces of inertia resulting from body mass, even though these reaction forces are decisive for the dynamic properties and mechanical behaviour of the components of endoprotheses.

A selection of representative implants from several manufacturers were tested according to the new test method, which is based on the “mass- spring, absorber” principle. The examined prostheses regarding differed in material, method of fixation and geometric dimensions.

The results of these examinations give clues to the repercussions of the mentioned parameters on the dynamic behaviour of endoprosthetic systems. In order to evaluate the results, hip joints from animals were also examined and provided relevant information for desirable alternative solutions to the problem in view of construction and material.