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Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2012)

23.10. - 26.10.2012, Berlin

Vibrationsanalyse zur Optimierung der Diagnose von Endoprothesenlockerungen

Meeting Abstract

  • presenting/speaker Cathérine Ruther - Orthopädische Klinik Rostock FORBIOMIT, Universität Rostock, Rostock, Germany
  • Ulrich Timm - Allgemeine Elektrotechnik, Universität Rostock, Rostock, Germany
  • Hartmut Ewald - Allgemeine Elektrotechnik, Universität Rostock, Rostock, Germany
  • Wolfram Mittelmeier - Orthopädische Klinik Rostock FORBIOMIT, Universität Rostock, Rostock, Germany
  • Rainer Bader - Orthopädische Klinik Rostock FORBIOMIT, Universität Rostock, Rostock, Germany
  • Daniel Kluess - Orthopädische Klinik Rostock FORBIOMIT, Universität Rostock, Rostock, Germany

Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2012). Berlin, 23.-26.10.2012. Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House; 2012. DocGR11-1185

DOI: 10.3205/12dkou421, URN: urn:nbn:de:0183-12dkou4211

Published: October 2, 2012

© 2012 Ruther et al.
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Text

Fragestellung: Die präzise Erfassung des Verankerungszustandes von Endoprothesen ist für die frühe Identifikation einer Implantatlockerung grundlegend. Vorhandene Diagnoseverfahren, wie die konventionelle Röntgenanalyse, weisen meist unzureichende Sensitivitäten und Spezifitäten zwischen 70% und 90% auf. Daraus resultierende Fehldiagnosen können dazu führen, dass eine Implantatlockerung zu spät erkannt wird. Diese Tatsache erfordert neue Systeme, welche eine valide und frühzeitige Detektion des Verankerungszustandes bzw. der Lockerung ermöglichen.

Methodik: Daher wurde ein Sensorkonzept entwickelt, welches auf der Resonanzfrequenzanalyse des Implantat-Knochenverbundes basiert. Es werden kleine magnetische Kugeln in das Implantat integriert, welche an einer Blattfeder befestigt sind (Masseschwinger). Durch eine am Bein des Patienten extern angelegte Elektromagnetspule werden die Masseschwinger mittels Wechselfeldimpuls berührungslos in ein kontinuierliches Schwingen versetzt. Während des Schwingvorgangs stoßen diese gegen die Implantatwand und erzeugen einen Klang, welcher sich als Vibration im umliegenden Gewebe ausbreitet. Die Resonanzfrequenz der Vibration ist abhängig vom Verankerungszustand des Implantats und wird mit einem Beschleunigungssensor von außen an der Haut detektiert. Zur Prüfung des Funktionsprinzips wurden Implantat-Probekörper mit integriertem Masseschwinger entwickelt, welche in der äußeren Form an den Hüftendoprothesenstiel angelehnt sind. Diese wurden in die Ulna von porcinen Vorderbeinpräparaten(n=6)mit Press-Passung implantiert. Die entstehenden Vibrationen wurden mit einem Beschleunigungssensor detektiert und die übertragenen Schwingungen mittels Fast Fourier Transformation ausgewertet. Im Anschluss wurden die Implantate entfernt und wieder eingesetzt, um damit einen Lockerungszustand zu simulieren und hierbei veränderte Schwingungsfrequenzmuster zu erfassen.

Ergebnisse und Schlussfolgerungen: Es konnte gezeigt werden, dass sich die gemessenen Resonanzfrequenzen mit zunehmender Lockerung nach unten verschieben, d.h. die mittlere Frequenz betrug 13.0 kHz±0.1 kHz für das Implantat in Press-Passung, während ein vollständig gelockertes Implantat eine mittlere Frequenz von 3.1 kHz±0.1 kHz aufwies. Dies beruht auf dem Effekt, dass beim Implantat in Press-Passung die Systemsteifigkeit des Implantat-Knochenverbundes erhöht ist und dadurch höhere Eigenfrequenzen entstehen. Ein locker sitzendes Implantat bedingt einen strukturell weniger steifen Verbund zum Knochenlager und lässt somit geringere Eigenfrequenzen zu. Die dargestellten Ergebnisse am Tierpräparat zeigen die Funktionsweise der Vibrationsanalyse auf und bestätigen die prinzipielle Machbarkeit dieser neuartigen Diagnosemethode. In nachfolgenden Untersuchungen muss der vorgestellte Ansatz in einem geeigneten Tiermodell validiert werden.