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Positionierungs-Optimierung eines elektrostimulativ wirkenden Schrauben-Implantats im Hüftkopf zur Behandlung der avaskulären Knochennekrose
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Published: | October 13, 2014 |
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Fragestellung: Die elektromagnetische Stimulation wird bei avaskulärer Femurkopfnekrose angewendet, um deren Regeneration im Rahmen der stadiengerechten operativen Therapie zu begünstigen. Dazu eignet sich ein elektrostimulativ wirkendes Schraubensystem (ASNIS S-series III Schraube, Stryker). Durch Anwendung einer externen Spule wird in einer in der implantierten Schraube integrierten Spule eine Spannung von 700 mV bei einer Frequenz von 20 Hz erzeugt. Das elektrische Feld bildet sich zwischen dem Schrauben-Schaft und der isolierten Spitze und damit im umliegenden Knochenlager aus. Trotz langjähriger Anwendung existieren bisher keine Untersuchungen, inwieweit die Positionierung der Schraube im Hüftkopf die Verteilung des elektrischen Feld im Knochen beeinflusst. In der vorliegenden Untersuchung wurden computergestützte Simulationen der Feldverteilung, um die Position der Schraube und somit die Feldverteilung im Hüftkopf zu optimieren.
Methodik: Mittels der Software COMSOL (Comsol AG, Göttingen, Deutschland) und dem integrierten Finite-Elemente-Modul wurde die Verteilung des elektrischen Feldes an einem humanen Hüftkopf-Modell berechnet. Aus prä- und postoperativen MRT-Aufnahmen eines Patienten wurden die Morphologie des Hüftkopfes und die initiale Position der Schraube rekonstruiert. Mittels eines eigens entwickelten Optimierungsalgorithmus wurde die Position der Schraube virtuell in den drei Raumrichtungen variiert. Für den Optimierungsansatz wurde COMSOL mit der Software iSIGHT (Dassault Systemes Deutschland, Hamburg) kombiniert. Als Zielfunktion für die Positionsoptimierung wurde das maximale Volumen einer effektiven Elektrostimulation im Hüftkopf gewählt. Das Optimum der elektrischen Feldstärke wurde in den Grenzen von 5 V/m bis 70 V/m, gemäß Herstellerangaben für die effektive Elektrostimulation, gewählt. Als weiteres Kriterium diente die intraoperativ umsetzbare Positionierung der Schraube.
Ergebnisse und Schlussfolgerung: Durch die Berechnung bzw. Optimierung der elektrischen Feldverteilung wurde eine Implantatposition ermittelt, mit der ein maximales Volumen des effektiven elektrischen Feldes im Hüftkopf gewährleistet wird. Im Vergleich zur initialen Schraubenposition (anhand der postoperativen MRT-Aufnahmen) war die optimierte Position um jeweils 0,7 mm, 2,0 mm bzw. -6,1 mm in X-, Y- und Z-Richtung verschoben. Die Verschiebung in Z-Richtung (entlang der Schraubenachse) zeigte den größten Einfluss auf die elektrische Feldverteilung.
Durch die Kombination der beiden Softwarepakete COMSOL und iSIGHT konnte basierend auf den numerischen Daten eine Positionsoptimierung des elektrostimulativ wirkenden Schrauben-Implantats in der knöchernen Umgebung erarbeitet werden. Dieser Berechnungsalgorithmus eignet sich neben der Positionsfindung zudem für weitere Parameterstudien, z.B. hinsichtlich Implantatdesign und patientenindividueller, elektromagnetische Kenngrößen.