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Fragestellung: Eine häufige postoperative Komplikation in der Schulterendoprothetik ist die Gelenk-Instabilität, welche durch Einflussgrößen wie z.B. Implantatpositionierung und Weichteilinsuffizienz bedingt ist. Aufgrund der Komplexität des Zusammenspiels des muskuloskelettalen Systems und des Implantatdesigns ist eine systematische Erfassung der vorherrschenden Mechanismen bislang schwierig.

Ziel ist es, eine systematische und reproduzierbare Funktionsanalyse des endoprothetisch versorgten Schultergelenks zu etablieren. Das Funktionsprinzip eines robotergestützen Testsystems auf Basis der Hardware-in-the-Loop(HiL) Simulation zur Untersuchung von Schulterendoprothesen während dynamischer Aktivitäten und dessen Validierung werden dargelegt.

Methodik: Das Testsystem besteht aus einem Sechsachs-Industrieroboter (TX200, Stäubli Tec-Systems GmbH, Bayreuth) als Aktuator. Die anatomische und physiologische Umgebung der oberen Extremität wird in ein inversdynamisches muskuloskelettales Mehrkörpersystem (MKS) während einer Abduktionsbewegung verlagert. Während der HiL-Simulation bewegt und belastet der Industrieroboter Schulterendoprothese unter kontinuierlicher Interaktion zwischen MKS-Modell des Schulterkomplexes und physikalischer Umgebung. Der Roboter setzt dabei die Bewegung der Implantatkomponenten entsprechend der drei vom Modell vorgegebenen Rotationen lagegeregelt um, während die Kräfte in den translatorischen Richtungen zwangsweise durch den realen Kontakt der artikulierenden Implantatoberflächen kraftgeregelt aufgebracht werden (hybride Kraft-Lageregelung). Resultierende Widerstandsmomente, z.B. durch Reibung, sowie Verschiebungen werden gemessen und in das MKS-Modell zurückgeführt (Abbildung 1A [Abb. 1]).

Jede HiL-Simulation mit einer anatomischen und inversen Schulterendoprothese wurde zehnmal wiederholt, um Mittelwerte sowie mittlere und maximale Standardabweichungen (SDs) der Glenohumeralkräfte zu berechnen (Charakterisierung der Reproduzierbarkeit).

Ergebnisse und Schlussfolgerung: Hinsichtlich der Reproduzierbarkeit zeigte sich bei der berechneten glenohumeralen Gelenkkraft eine mittlere/maximale SD von 5,1N bzw. 11N für die anatomische Schulterendoprothese und eine mittlere/maximale SD von 1,4N bzw. 5,5N für die inverse Schulterendoprothese. Die glenohumerale Gelenkkraft in der HiL-Simulation zeigte eine gute Übereinstimmung (Abbildung 1B,C [Abb. 1]) mit den experimentell erhobenen Daten von Ackland et al. 2011.

Die Funktionalität und Validität des Testsystems konnte erfolgreich für ein anatomisches und inverses Schulterendoprothesen-Design nachgewiesen werden. Die Kombination eines MKS-Modells mit dem Industrieroboter ermöglicht die Integration realistischer Kontaktbedingungen und erweitert das Spektrum derzeitiger Testmethoden.