Computergestützte Bewegungssimulation an Hüftendoprothesen mit Keramik-Keramik-Gleitpaarung. Analyse der Einflussparameter
Implantat-Design und Position

Zusammenfassung

Fragestellung: In der Hüftendoprothetik werden zunehmend Keramik-Keramik Gleitpaarungen eingesetzt. Ein eingeschränkter Bewegungsumfang aufgrund ungünstigen Prothesendesigns oder Implantat-Fehlpositionierung kann zu „Impingement”, Luxation und mechanischem Versagen (Randabplatzer oder Bruch) des keramischen Pfanneneinsatzes führen. Methode: Mit einem 3-D CAD-Programm wurden an Hüftendoprothesen-Modellen verschiedene Bewegungsabläufe simuliert und der Einfluss von Design und Position keramischer Hüftimplantate auf die „Range of Motion” (ROM) analysiert. Ergebnisse: Um eine ausreichende ROM zu gewährleisten und das Impingement- bzw. Luxationsrisiko zu minimieren, ist eine Inklination von 45° und Anteversion der Pfanne von 15° sowie eine Schaftantetorsion von 0° bis 10° anzustreben. Im Hinblick auf Implantatdesign sollten Pfannen mit randbündigem Keramik-Insert verwendet werden. Prothesensysteme mit erhöhtem Insert-Rand oder mit pilzförmigem Kopfdesign sind von Einschränkungen der Beweglichkeit und erhöhtem Risiko einer mechanischen Schädigung begleitet. Das Verhältnis von Kopf- zu Halsdurchmesser sollte nicht unter 2 : 1 liegen. Mit zunehmender Kopfgröße erhöht sich neben der ROM auch die Stabilität der Hüftendoprothese gegenüber Luxation, jedoch bei Keramik-Keramik-Paarungen nicht die Abriebrate, im Gegensatz zu Polyethylen-Pfannen. Schlussfolgerungen: Werden bestimmte Kriterien hinsichtlich Positionierung, Design und Handhabung keramischer Hüftimplantate berücksichtigt, können Keramik-Eigenpaarungen mit geringem Revisionsrisiko eingesetzt werden und bei jungen, aktiven Patienten abriebbedingte Prothesenlockerungen reduzieren.

Abstract

Objective: In THA, ceramic-on-ceramic wear couples are increasingly used. A restricted range of motion (ROM) due to unfavourable implant design or positioning may cause impingement or dislocation, which can result in failure of ceramic inserts. Methods: By means of a 3-D CAD program different hip joint movements were simulated and the effects of ceramic hip implant design and position on the range of motion were analysed. Results: To offer sufficient ROM and to minimise risk of impingement and dislocation, inclination angle of the acetabular cup should be 45°, cup anteversion 15° and stem antetorsion 0° to 10°. In regard to implant design, acetabular cups with slightly- recessed ceramic inserts should be used. Prosthetic systems with an elevated liner or with a mushroom-shaped femoral head are associated with limited ROM and increased risk of mechanical failure. The ratio of head to neck diameter should never be less than 2 : 1. Larger heads not only increase ROM, but also the stability of the prosthesis against dislocation. Thereby, the wear rate of ceramic-on-ceramic couples is not increased, in contrast to polyethylene. Conclusion: Considering certain criteria for ceramic hip implants regarding implant positioning, design and handling, ceramic-on-ceramic couples can be used with low risk of revision surgery and they can also reduce the prosthesis loosening associated with wear in young and active patients.

Schlüsselwörter

Hüftendoprothetik - Keramik - Gleitpaarung - Implantatdesign - Versagen

Key words

Total hip arthroplasty - Ceramic - Wear couples - Implant design - Failure

Literatur

• 1 Herberts P, Malchau H. Long-term registration has improved the quality of hip replacement: a review of the Swedish THR Register comparing 160,000 cases.  Acta Orthop Scand. 2000;  71 111-121
• 2 Mittelmeier H. Hüftgelenkersatz bei jungen Menschen.  Z Orthop. 1984;  122 20-26
• 3 Willmann G. Biokeramik in der Orthopädie - Was haben wir aus 25 Jahren gelernt?.  Med Orth Tech. 2000;  120 10-16
• 4 Archibeck M J, Jacobs J J, Black J. Alternate Bearing Surfaces in Total Joint Arthroplasty.  Clin Orthop. 2000;  379 12-21
• 5 Gekeler J. Sphärische Press-Fit-Pfannen und erste klinische Erfahrungen mit der Keramik-Gleitpaarung (PLASMACUP SC). In: Puhl W (ed.) Bioceramics in Orthopaedics - New Applications. Stuttgart; Enke 1999: 32-38
• 6 Menge M, Hesse J. Mittelfristige Ergebnisse mit dem SI-Schraubring mit Keramik-Inserts. In: Puhl W (ed.) Performance of the Wear Couple Biolox forte in Hip Arthroplasty. Stuttgart; Enke 1997: 81-84
• 7 Kummer F J, Shah S, Iyer S, DiCesare P E. The effect of acetabular cup orientations on limiting hip rotation.  J Arthroplasty. 1999;  14 509-513
• 8 Bader R, Willmann G. Keramische Pfannen für Hüftendoprothesen Teil 6: Pfannendesign, Inklinations- und Antetorsionswinkel beeinflussen Bewegungsumfang und Impingement.  Biomed Technik. 1999;  44 212-219
• 9 Bader R, Willmann G. Keramische Pfannen für Hüftendoprothesen Teil 7: Wie beeinflussen Lage des Rotationszentrums und CCD-Winkel des Schaftes Range of Motion und Impingement.  Biomed Technik. 1999;  44 345-351
• 10 Robinson R P, Simonian P T, Gradisar I M, Ching R P. Joint Motion and Surface Contact Area Related to Component Position in Total Hip Arthroplasty.  J Bone Joint Surg. 1997;  79-B 140-146
• 11 Seki M, Yuasa N, Ohkuni K. Analysis of Optimal Range of Socket Orientations in Total Hip Arthroplasty with Use of Computer-Aided Design Simulation.  J Orthop Res. 1998;  16 513-517
• 12 D'Lima D, Urquhart A G, Buehler K O, Walker R, Colwell C W. The Effect of the Orientation of the Acetabular and Femoral Components on the Range of Motion of the Hip at Different Head-Neck Ratios.  J Bone Joint Surg. 2000;  82-A 315-321
• 13 Lavernia C, Barrack R, Thornberry R, Tozakoglou E. The Effects of Component Position on the Motion to Impingement and Dislocation in Total Hip Replacement. Scientific Exhibit at the AAOS Meeting, New Orleans 1998
• 14 Lewinnek G E, Lewis J L, Tarr R, Compere C L, Zimmerman J R. Dislocations after Total Hip-Replacement Arthroplasties.  J Bone Joint Surg. 1978;  60-A 217-220
• 15 Kennedy J G, Rogers W B, Soffe K E, Sullivan R J, Griffen D G, Sheehan L J. Effect of acetabular component orientation on recurrent dislocation, pelvic osteolysis, polyethylene wear, and component migration.  J Arthroplasty. 1998;  13 530-534
• 16 Kohn D, Rührmann O, Wirth C J. Die Verrenkung der Hüfttotalendoprothese unter besonderer Beachtung verschiedener Zugangswege.  Z Orthop. 1997;  135 40-44
• 17 Bartz R L, Noble P C, Kadakia N R, Tullos H S. The Effect of Femoral Component Head Size on Posterior Dislocation of the Artificial Hip Joint.  J Bone Joint Surg. 2000;  82-A 1300-1307
• 18 Livermore J, Ilstrup D, Morrey B. Effect of femoral head size on wear of the polyethylene acetabular component.  J Bone Joint Surg. 1990;  72-A 518-528
• 19 Clarke I C, Gustafson A, Jung H, Fujisawa A. Hip-simulator ranking of polyethylene wear: comparisons between ceramic heads of different sizes.  Acta Orthop Scand. 1996;  67 128-132
• 20 Saikko V, Pfaff H-G. Low wear and friction in alumina/alumina total hip joint: a hip simulator study.  Acta Orthop Scand. 1998;  69 443-448
• 21 Scifert C F, Brown T D, Pedersen D R, Callaghan J J. A Finite Element Analysis of Factors Influencing Total Hip Dislocation.  Clin Orthop. 1998;  355 152-162
• 22 Kelley S S, Lachiewicz P F, Hickman J N, Paterno S M. Relationship of femoral head and acetabular size to the prevalence of dislocation.  Clin Orthop. 1998;  355 163-70
• 23 Weber U, Hoschek J. Der Bewegungsumfang von Hüftgelenksprothesen-Konstruktionen.  Arch Orthop Traumat Surg. 1979;  95 95-104
• 24 Willmann G, Kramer U. Keramische Pfannen für Hüftendoprothesen Teil 5: Konzeptionelle Überlegungen.  Biomed Technik. 1998;  43 342-349
• 25 Griss P, Orth J, Wilke A, Franke P. Gesichertes und Neues aus der Biomaterialforschung.  Z Orthop. 1993;  131 488-495
• 26 Willmann G. Keramische Pfannen für Hüftendoprothesen Teil 8: Revisionen.  Biomed Technik. 2000;  44 370-376
• 27 Sedel L. Revision strategy for ceramic implant failures. In: Sedel L, Willmann G (eds.) Reliability and Long-Term Results of Ceramics in Orthopaedics. Stuttgart New York; Thieme 1999: 75-77
• 28 Hassan D M, Johnston G FH, Dust W NC, Watson G, Dolovich A T. Accuracy of intraoperative assessment of acetabular prosthesis placement.  J Arthroplasty. 1998;  13 80-84

1 Bader R, Bunz U, Scholz R, Steinhauser E, Willmann G. Range of Motion von Hüftendoprothesen: Problematik der Begriffsbestimmung. Osteologie Suppl 2 2001; 10: 180.

1