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Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie, 75. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Unfallchirurgie, 97. Tagung der Deutschen Gesellschaft für Orthopädie und Orthopädische Chirurgie, 52. Tagung des Berufsverbandes der Fachärzte für Orthopädie und Unfallchirurgie

25. - 28.10.2011, Berlin

Finite-Elemente-Analyse zum Deformationsverhalten von Metallschale und PE-Einsatz in Abhängigkeit unterschiedlicher Wandstärken der künstlichen Hüftpfanne

Meeting Abstract

  • P. Goebel - Universität Rostock, Orthopädische Klinik und Poliklinik, Rostock, Germany
  • J. Wieding - Universität Rostock, Orthopädische Klinik und Poliklinik, Rostock, Germany
  • D. Klüß - Universität Rostock, Orthopädische Klinik und Poliklinik, Rostock, Germany
  • R. Souffrant - Universität Rostock, Orthopädische Klinik und Poliklinik, Rostock, Germany
  • M. Sander - Universität Rostock, Fakultät für Maschinenbau und Schiffstechnik, Rostock, Germany
  • R. Bader - Universität Rostock, Orthopädische Klinik und Poliklinik, Rostock, Germany

Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie. 75. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Unfallchirurgie, 97. Tagung der Deutschen Gesellschaft für Orthopädie und Orthopädische Chirurgie, 52. Tagung des Berufsverbandes der Fachärzte für Orthopädie. Berlin, 25.-28.10.2011. Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House; 2011. DocPO13-285

DOI: 10.3205/11dkou574, URN: urn:nbn:de:0183-11dkou5747

Veröffentlicht: 18. Oktober 2011

© 2011 Goebel et al.
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Gliederung

Text

Fragestellung: Um den Bewegungsumfang und die Stabilität im künstlichen Hüftgelenk zu erhöhen, wird zunehmend auf größere Prothesenköpfe und folglich geringere Pfannenwandstärken zurückgegriffen. Bei zementfreien Pressfit-Pfannen kann sich das negativ auf die Gleitpaarung und deren Abriebrate auswirken, weil dadurch unter Umständen relevante Verformungen an Pfanne und Insert u.a. beim Einpressen in das Acetabulum entstehen können.

Ziel dieser numerischen Untersuchungen ist es, auftretende Verformungen an zementfrei eingebrachten Pressfit-Pfannen und Inserts hinsichtlich verschiedener Wandstärken zu vergleichen und Aussagen über eine Änderung der Clearance zwischen Insert und Prothesenkopf abzuleiten.

Methodik: Aus der Kombination dreier Pfannen- und Insertwandstärken bei gleich bleibendem Außendurchmesser der Pfanne resultierten neun unterschiedliche Modelle für die Finite-Elemente (FE)-Analyse, mit der jeweils die Deformationen und Spannungen der Pfanne sowie des Inserts beim Einsetzvorgang und unter physiologischer Gelenkbelastung bei initialem Fersenkontakt (gemäß Daten von Bergmann et al. 2001) berechnet wurden. Die FE-Modelle bestanden aus Becken, Pfanne, Insert, Prothesenkopf, Hüftstiel und Femur mit jeweils ca. 78.000 Tetraeder- sowie Hexaederelementen und 109.000 Knoten. Nach dem statischen Einsetzvorgang wurde die resultierende Gelenkkraft über die acetabulären Implantatkomponenten auf den Prothesenkopf bei fester Einspannung des Femur im mittleren Drittel unter Berücksichtigung physiologischer Muskelkräfte (nach Heller et al. 2005) inkrementell bis maximal 1953 N aufgebracht.

Ergebnisse und Schlussfolgerungen: Die Berechnungen des Einsetzvorganges ergaben für eine Wandstärke der Metallschale von 3, 5 bzw. 7 mm eine Verringerung des Durchmessers von 0,096, 0,034 bzw. 0,014 mm. Die größten Deformationen der Polyethylen (PE)-Inserts mit Dicken von 4, 6 bzw. 8 mm traten mit durchschnittlich 0,084±0,003 mm bei einer Wandstärke der Metallschale von 3 mm auf. Die kleinste Durchmesser­verringerung des Inserts wurde mit 0,011 mm bei einer Wandstärke der Metallschale von 7 mm und einer Insertdicke von 8 mm ermittelt.

Bei der Verwendung von dünnen Pressfit-Pfannen (3 mm) kam es beim Einsetzvorgang zu Deformationen der PE-Inserts, die auch unter Belastung eine Änderung der initialen Clearance (0,140 mm) um mehr als die Hälfte nach sich ziehen. Dadurch wird der optimale Bereich für Hart-Weich-Paarungen (0,10 bis 0,15 mm) beeinträchtigt, was sich negativ auf Schmierung und Abrieb auswirken kann. Pfannen mit einer Wandstärke von ≤5 mm sollten in Kombination mit dickeren PE-Inserts (>6 mm) verwendet werden, um die Clearance so gering wie möglich zu beeinträchtigen. Bei dickerer Wandstärke der Metallschale von 7 mm wurden bei einer Dicke des PE-Inserts von mindestens 4 mm geringe Deformationen ermittelt, die keinen entscheidenden Einfluss auf die Clearance hatten.