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Mechanischer Belastungsvergleich im numerischen Modell zwischen zwei verschiedenen Designs von gekoppelten Knieendoprothesen: fixierte und rotierende Plattform
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Veröffentlicht: | 13. Oktober 2014 |
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Fragestellung: Die Implantation von achsgeführten Rotationskniesystemen ist bei größeren Knochen- und Bandstrukturverlusten z.B. aufgrund von mehrfachen Voroperationen und nach Resektion von Knochentumoren notwendig. Dabei ist der Verbindungsmechanismus zwischen Ober- und Unterschenkel eines der am stärksten beanspruchten Bauteile einer achsgeführten Rotations KTEP. Aus diesem Grund, ist das Verhindern des mechanischen Versagens des Verbindungsmechanismus, schon in der Entwicklung, eine der größten Herausforderungen. Ziel dieser Studie war der Aufbau eines Finiten Elementen Modell nach ISO 14243-1 (2001) und der Vergleich zweier verschiedener Designs von gekoppelter Knieprothesen (fixierte und rotierende Plattform) im Hinblick auf die mechanischen Belastung des metallischen Verbindungsmechanismus (CoCrMo) und des Inlays (UHMWPE) der Prothese.
Methodik: Um dies zu untersuchen wurden zwei dynamische Finite Elemente Modelle mit der Software (AnsysV14) erstellt. Hierbei wurde in einem ersten numerischen Modell eine gekoppelte Knieprothese mit fixiertem Inlay (UHMWPE) untersucht (GenuX, implantcast GmbH). In einem zweiten numerischen Modell wurde eine weiterentwickelte gekoppelte Knieprothese untersucht. Diese basierte auf der GenuX Prothese mit dem Unterschied eines rotierenden Inlays. Um einen standardisierten Vergleich der Prothesen zu ermöglichen wurden die Randbedingungen der numerischen Simulation anhand der Verschleißnorm ISO 14243-1 (2001) erstellt. Hierfür wurden 100 Lastschritte in die Simulation eingefügt, die Belastungen der Norm beaufschlagt und anschließend analysiert.
Ergebnisse und Schlussfolgerung: Bei der fixed bearing KTEP zeigten sich drei Maxima der äquivalenten von Mises Spannung im Kopplungsmechanismus. Die äquivalente von Mises Spannungsspitze stieg im Kopplungsmechanismus von 115MPa bei 4% des Gangzyklus auf 133MPa bei 18% des Gangzyklus und erreichte das absolute Maximum von 233MPa bei 40% des Gangzyklus. Das Maximum, welches bei 18% des Gangzyklus bei dem fixed bearing Design beobachtet wurde, konnte bei rotierenden Inlay nicht gemessen werden. Ferner kam es bei den beiden anderen Maxima zu einer deutlichen Spannungserniedrigung. Bei 4% des Gangzyklus konnte die Spannung auf 74MPa (-36%) und bei 40% auf 104MPa (-55%) gesenkt werden. Im Gegensatz dazu wurde die maximale Belastung im Inlay bei der fixed bearing Prothese mit 18 MPa und die mobile bearing mit 20MPa (+11%) äquivalent von Mises Spannung gemessen.
Diese Studie zeigt, dass der Kopplungsmechanismus einer Knieendoprothesen über den Gangzyklus hinweg sehr starken Belastungen ausgesetzt wird. Neue Design Aspekte und die Verwendung einer rotierenden Plattform können Spannungen im Kopplungsmechanismus deutlich reduzieren, und damit wahrscheinlich das Versagensrisiko dieser Schwachstelle mindern. Jedoch erkauft man sich diesen Vorteil mit einer leicht erhöhten Belastung im Inlay, einhergehend mit einer weiteren Artikulationsfläche (Inlayrückfläche), welches in Kombination zu erhöhten Verschleiß führen könnte.