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Fragestellung: Nach osteoporotischer Hüftfraktur steigt das Risiko einer zweiten Fraktur auf der contralateralen Seite auf 50% nach zwei bzw. auf 70% nach fünf Jahren. Die Inzidenz einer sekundären Femurfraktur liegt bei 8-20%, und geht mit einer signifikant erhöhten Mortalität des alten Patienten einher. Medikamentöse Behandlung greift meist zu spät, die Wirksamkeit von externen Sturzprotektoren muss als limitiert erachtet werden. Das Konzept einer chirurgischen Intervention zur prophylaktischen Verstärkung des osteoporotischen Femurs, beispielsweise mit Knochenzementen, erscheint angesichts der steigenden Altersproblematik als wichtige Option, die in einer ersten Phase experimentell bewertet werden sollte. Intensive Forschung unserer und anderer Arbeitsgruppen zeigt ein Potential des Konzepts, konnte bisher aber noch kein schlüssiges Bild zeichnen. Ziel dieser Studie war die Entwicklung einer verbesserten numerischen Testumgebung und deren Anwendung zur systematischen Optimierung einer zement-basierten Verstärkung des proximalen Femurs.

Methodik: Basierend auf einem validierten, nicht-linearen Finite Elemente Modell wurde eine voll-automatisierte, numerische Analyseumgebung entwickelt um fallspezifische Versagenslasten am proximalen Femur vorherzusagen. In einem ersten Schritt wurde die Funktion des Systems anhand eines bestehenden Datensatzes überprüft: 13 humane Kadaver Femura wurden mittels CT hochauflösend gescannt und experimentell in einem Fallversuch bis zum Versagen getestet. In einem zweiten Schritt wurden die Femura virtuell mit verschiedenen Knochenzement Konfigurationen und Volumina augmentiert und die relative Erhöhung der Versagenslast berechnet. Eine Konfiguration (ATB) basierte dabei auf einer iterativen Simulation der Knochenanpassung zur Minimierung von Materialspannungen (Wolff'sches Gesetz) unter veränderten Lastbedingungen, dem seitlichen Fall auf die Hüfte.

Ergebnisse und Schlussfolgerung: Die numerische Simulation zeigte eine hohe Korrelation der Versagenslasten mit dem biomechanischen Experiment (R2=0.87). Mit unveränderten Volumen, aber einer optimierten Position der Zementwolke konnte die Erhöhung der Versagenslast gegenüber einer zentralen Position, die in einer früheren Studie die besten Ergebnisse zeigte, verdoppelt werden. Mit kleinen Zementvolumen (5 ml) ergab sich eine Steigerung der Versagenslast um lediglich 15-40% gegenüber dem nicht-augmentierten Fall. Die ATB Konfiguration führte zu einer Erhöhung der Bruchlast von 85±45%, benötigt allerdings ein Zementvolumen von ~30 ml.

Das entwickelte Simulationswerkzeug zeigt gute Übereinstimmung mit einem früheren Experiment. Die Ergebnisse erfordern weitere experimentelle Validierung, deuten aber auf ein deutliches biomechanisches Potential der invasiven Verstärkung des intakten, hoch osteoporotischen Femurs zur Frakturprävention hin. Auf dem Weg zur klinischen Anwendung sind, neben der technischen Entwicklung und Validierung, weiterhin intensive Nutzen/Risiko Abschätzungen zur ethischen Rechtfertigung des Konzepts von Nöten.