Spannungsoptische Oberflächenanalyse an humanen Femurpräparaten vor und nach Implantation unterschiedlicher Schenkelhalsprothesenmodelle

Zusammenfassung

Zielsetzung: Ziel war die Detektion möglicher Risikoareale am proximalen Femur nach Implantation verschiedener Schenkelhalsendoprothesen mit der spannungsoptischen Oberflächenanalyse. Methode: Als Untersuchungsmaterial dienten zwölf humane Femurpräparatepaare. Die Untersuchung der Spannungsverteilung erfolgte unter stufenweiser Erhöhung der Belastung bis zum vierfachen Körpergewicht vor und nach Implantation von drei zementlos zu implantierenden Schenkelhalsprothesenmodellen. Die „Cigar-Prothese” besitzt eine laterale Zuglasche. Die CUT-Prothese stützt sich mit dem gekrümmten Ende innen an der lateralen Kortikalis ab. Beide genannten Modelle besitzen eine Tripoden-Oberflächen-Struktur zur Verbesserung der Osteointegration. Das dritte Modell, die „Rippenprothese”, besitzt zwei senkrecht aufeinanderstehende Lamellen zur Erhöhung der Rotationsstabilität. Im Anschluss erfolgte eine Untersuchung der Mikrobewegungen der Prothesen bei dynamischer Belastung (1000 ± 700 N). Ergebnisse: Die deutlichsten Veränderungen im Spannungsmuster ergaben sich bei der Cigar-Prothese mit der lateralen Zuglasche. Dies führte zur Konzentration der Spannungslinien auf das laterale Bohrloch. Des Weiteren wurden punktuelle Dehnungszunahmen am Osteotomierand im Mittel von 1440 µm/m beobachtet. Die Rippenprothese (1000 µm/m) und CUT-Prothese (720 µm/m) wiesen deutlich günstigere Werte auf. Nach Implantation der CUT-Prothese ergaben sich die geringsten Veränderungen im Spannungsmuster und -werten. Die Messung der Mikrobewegungen ergab nur für die Cigar-Prothese mit 134 mm einen Mittelwert unterhalb des kritischen Werts von 150 µm/m für eine Osteointegration. Die beiden anderen Prothesen lagen Schnitt knapp darüber. Schlussfolgerung: Nach Implantation der CUT-Prothese zeigen sich im Vergleich die geringsten Veränderungen im Spannungsverhalten, was nur geringe knöcherne Umbauvorgänge erwarten lässt, jedoch ist bei grenzwertig erhöhten Mikrobewegungen im Knochen-Prothesen-Interface die Osteointegration gefährdet.

Abstract

Aim: The aim of this study was the detection of areas at risk at the proximal femur after implantation of different femur neck prostheses using the photoelastic stress analysis. Methods: Twelve pairs of human femurs were used as examination material. The analysis of the stress pattern was done with a stepwise increasing load up to the quadruple of body weight before and after implantation of three models of femur neck prostheses which were implanted cementless. The “CUT” and “Cigar” models are coated with a tripod structure. The “Cigar” model has a lateral thrust plate. The lateral end of the “CUT” model is curved and this end is attached to the lateral corticalis. The third model, the “rip prosthesis” has two layers for rotational stability. Subsequently, the micromotions of the implanted prosthesis in the femural neck were examined with alternating weight loads (1000 ± 700 N). Results: The Cigar prosthesis showed the most changes of stress distribution because of the lateral thrust plate with concentration of isochromatic lines to the lateral boring. In the region of the oseotomy an increase of strain up 1440 µm/m could be detected for the Cigar and up to 1000 µm/m for the rib prosthesis. The stress pattern after implantation of the CUT prosthesis remained very similar apart from a slight increase of stress values (720 µm/m). Only for the Cigar prostheses were the measured micromotions below the critical value for a possible osteointegration with a mean value of 134 µm/m. Conclusion: The stress pattern after implantation of the CUT prosthesis remained most similar to the preinterventional stress distribution. Because of this, it is to be expected that the osseous modification would stay at a low level. The question of osteointegration can only be answered in long-term in-vivo studies.

Schlüsselwörter

Femur - Schenkelhalsprothesen - Spannungsoptik - Mikrobewegungen

Key words

femur - femur neck prosthesis - photoelastic stress analysis - micromotions

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