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Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie
72. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Unfallchirurgie, 94. Tagung der Deutschen Gesellschaft für Orthopädie und Orthopädische Chirurgie und 49. Tagung des Berufsverbandes der Fachärzte für Orthopädie und Unfallchirurgie

22. - 25.10.2008, Berlin

Entwicklung eines numerischen Modells zur biomechanischen Simulation von proximalen Femurfrakturen

Meeting Abstract

  • P. Augat - Berufsgenossenschaftliche Unfallklinik Murnau, Biomechanik, Murnau, Germany
  • S. Eberle - Berufsgenossenschaftliche Unfallklinik Murnau, Biomechanik, Murnau, Germany
  • C. Gerber - Stryker Osteosynthesis, Schoenkirchen / Kiel, Germany
  • G. von Oldenburg - Stryker Osteosynthesis, Schoenkirchen / Kiel, Germany

Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie. 72. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Unfallchirurgie, 94. Tagung der Deutschen Gesellschaft für Orthopädie und Orthopädische Chirurgie, 49. Tagung des Berufsverbandes der Fachärzte für Orthopädie. Berlin, 22.-25.10.2008. Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House; 2008. DocWI87-338

Die elektronische Version dieses Artikels ist vollständig und ist verfügbar unter: http://www.egms.de/de/meetings/dkou2008/08dkou548.shtml

Veröffentlicht: 16. Oktober 2008

© 2008 Augat et al.
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Gliederung

Text

Fragestellung: Ein großes Problem bei der Versorgung von proximalen Femurfrakturen ist das mangelnde Wissen über die genaue Lastverteilung zwischen Knochen und Implantat. Die Ermittlung der Lastverteilung durch Versuche stellt sich äusserst schwierig dar. Zudem sind die genauen Orte der höchsten Spannungen auf dem Implantat unbekannt. Bekannt sind nur die externen Lasten auf den Knochen aus Experimenten und Modellen [Bergmann, 2001]. Ziel dieser Studie war deshalb die Berechnung von Spannungen in einem intramedullären Implantat in drei durch Versuche validierten Finite Elemente Modellen mit unterschiedlichen Frakturen des proximalen Femurs.

Methodik: Wir entwickelten ein Finite Elemente Modell des sog. standardized femur [Viceconti, 1996], um die Lastverteilung in Knochen und Implantat vorauszusagen. Mit diesem Modell berechneten wir die von Mises Vergleichsspannungen in einem Gamma3-Nagel (Stryker Inc.). Der Nagel wurde zuvor virtuell in das Modell des Femurs implantiert. Wir verglichen drei verschiedene Frakturen unter der Last des Einbeinstandes, welcher einen typischen Lastfall für den humanen Femur darstellt. Die Frakturen lagen pertrochantär, subtrochantär und am lateralen Hals des Femurs. Die FE Modelle berücksichtigten alle Kontakte zwischen Implantat und Knochen sowie zwischen den Frakturhälften. Dabei wurde jedem Kontaktpaar ein entsprechend realistischer Reibkoeffizient zugewiesen. Der Femur wurde mit einer Kraft von 1866N belastet und proximal von einem Kugelgelenk fixiert sowie distal von einem zweiachsigen Kardangelenk. Das FE Modell wurde mit der FE Software ANSYS®Academic Research, v.11.0 WorkbenchTM (ANSYS Inc., Canonsburg, USA) erstellt.

Die Validierung der FE Modelle erfolgte über Dehnungsmessungen an Gamma3-Nägeln, die in künstliche Knochen (Sawbones Europe AB) implantiert und getestet wurden.

Ergebnisse: Betrag und Ort der höchsten Spannungen im Implantat waren bei allen drei Frakturen unterschiedlich. Die subtrochantäre Fraktur belastet das Implantat am meisten und resultiert in einer maximalen Spannung an der Durchgangsbohrung für die Schenkelhalsschraube (531 MPa). Am selben Ort liegt die höchste Spannung im Falle der pertrochantären Fraktur (410 MPa). Die laterale Halsfraktur verursacht eine Spannungsspitze an der Schenkelhalsschraube (368 MPa).

Schlussfolgerungen: Unser FE Modell des standardized femur ermöglicht den Vergleich verschiedener Frakturen und deren Auswirkungen auf die Lastverteilung. Wir zeigten, dass jede Fraktur das Implantat unterschiedlich belastet und zu verschieden großen Spannungsspitzen an unterschiedlichen Orten des Implantats führt.

Der Frakturtyp hat demnach eine starke Auswirkung auf die Belastung eines intramedullären Implantats. Der Grund für diese Unterschiede sind unterschiedliche Kontaktflächen und Hebelverhältnisse.