Realitätsnahe Finite-Elemente-Simulation in der präklinischen Testung von Knie- und Hüftimplantaten

Realistic preclinical finite element simulation in knee and hip replacements

Zusammenfassung

Hintergrund

In der Entwicklung eines Implantates dient die Computersimulation mittels der Finiten-Elemente(FE)-Methode der frühzeitigen Identifikation designbedingter Schwachstellen, wodurch sich Entwicklungsschleifen auf ein Minimum reduzieren lassen. Weiterführend wird die FE-Simulation für die Auswahl der zu testenden Komponentenkombinationen eingesetzt, um zuständigen Behörden einen Nachweis des Worst-Case-Konstruktes für den anschließenden jeweiligen experimentellen Dauerfestigkeitstest zu erbringen.

Ergebnisse

Finiten-Elemente-Simulationen und experimentelle Forschungsstudien zeigen, dass die Implantatpositionierung einen Einfluss auf die mechanischen Belastungen haben kann und damit auch unter Umständen die präklinische Evaluierung der Prothesen beeinflussen kann.

Diskussion

Damit erbringt die FE-Simulation derzeit schon einen wesentlichen Beitrag zur präklinischen Testung. Allerdings sollten die Berechnungsmodelle für die Berechnung standardisiert werden, damit eine Vergleichbarkeit gegeben ist. Zusätzlich ist die Entwicklung neuer dynamischer und realitätsnaher Belastungsmodelle nötig, um auch derzeit nicht darstellbare Schadensfälle vorab erkennen zu können. Mit speziellem Blick auf den Klinikalltag wären in Zukunft Modelle wünschenswert, die intraoperativ entstehende kinematische Veränderungen und resultierende Fehlbelastungen der Implantate darstellen können und die Adressierung durch eine veränderte Positionierung oder Verwendung eines anderen Prothesendesigns ermöglichen.

Abstract

Background

In the process of developing an implant, computer simulation involving finite element (FE) methods allows the early identification of design-related issues, thus reducing the development process to a minimum. In addition, the FE simulation is used for selecting testing combinations in order to provide the relevant authority with proof of a “worst-case” construct scenario for the subsequent experimental fatigue test.

Results

Research studies with FE simulations show that implant positioning may affect mechanical loads under certain circumstances and, therefore, influence the preclinical evaluation of the prostheses.

Discussion

Although the FE simulation currently contributes significantly to preclinical testing, a standardization of the calculation models allowing comparability of results is lacking. Furthermore, the development of new dynamic and realistic models is necessary in order to identify complex damage modes that currently cannot be reproduced experimentally. When considering everyday clinical life in particular, models that can reproduce intraoperative kinematic changes and the resulting incorrect loads of the implant, as well as address these problems by changing the position or design of the prosthesis, are necessary and would help in future.

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Abb. 1
Abb. 2
Abb. 3

Abbreviations

ASTM:

American Society for Testing and Materials

EPRD:

Endoprothesenregister Deutschland

FDA:

U.S. Food and Drug Administration

FE:

Finite Elemente

ISO:

Internationale Organisation für Normung

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Correspondence to Dr. Dipl.-Ing. (FH) Matthias Woiczinski.

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Für diesen Beitrag wurden von den Autoren keine Studien an Menschen oder Tieren durchgeführt. Für die aufgeführten Studien gelten die jeweils dort angegebenen ethischen Richtlinien.

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Woiczinski, M., Maas, A., Grupp, T. et al. Realitätsnahe Finite-Elemente-Simulation in der präklinischen Testung von Knie- und Hüftimplantaten. Orthopäde (2020). https://doi.org/10.1007/s00132-020-04025-0

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Schlüsselwörter

  • Analyse, finite Elemente
  • Computersimulation
  • Hüftprothesenimplantation
  • Knieendoprothese, totale
  • Risikoabschätzung

Keywords

  • Analysis, finite element
  • Computer models
  • Hip prosthesis implantation
  • Knee arthroplasty, total
  • Risk assessment