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Fragestellung: Die Finite-Element-Methode (FEM) stellt eine zeit- und kostensparende, sowie patientenfreundliche Möglichkeit dar, die Interaktion zwischen Femurknochen und dem Hüftimplantat zu betrachten. Eine Validierung des FE-Modells ist allerdings notwendig um in Zukunft die Auswirkung neuer Prothesendesigns voraussagen zu können. Dies kann durch die Dual-Energy-X-ray-Absorptiometry (DEXA) realisiert werden. In dieser Studie erfolgt erstmals die numerische Analyse der Knochenumbauprozesse um den zementfreien Metha^® Kurzschaft (B.Braun, Aesculap, Tuttlingen) und ihre Validierung per DEXA.

Methodik: In ein CT-basiertes, dreidimensionales FE-Modell des Femurs wurde virtuell der Metha^® Kurzschaft implantiert. Die angenommene Knochendichteverteilung wurde aus den Hounsfield Einheiten nach Rho et al. berechnet. Für die physiologische Belastungssituation (Gehzyklus) wurden die Randbedingungen von Speirs et al. herangezogen. Die Änderungen der Knocheneigenschaften wurden iterativ erfasst und mit Erreichen der Konvergenz (Equilibrium) beendet. Ein Knochenwachstumsmodell basierend auf dem Dichteevolutionsgesetz von Huiskes et al. wurde verwendet.

In der klinischen Validierungsstudie wurden 25 Patienten (mittleres Alter 59 Jahre, 9 weiblich, 16 männlich), die mit dem Metha^® Kurzschaft versorgt wurden mittels DEXA 1 Woche, sowie 6, 12 und 24 Monate postoperativ untersucht. In Rückenlage bei 25° Innenrotation des Beines wurden 7 Regionen analog der Zonen nach Gruen et al. analysiert.

Ergebnisse und Schlussfolgerungen: Die FE-Simulation zeigte eine Dichteabnahme des proximalen Calcars (R7) sowie des Trochantermassivs (R1). Diaphysär wurde keine Veränderung berechnet. Eine geringe Dichtezunahme wurde im Trochanter minor Bereich (R6) gezeigt. Eine kleine, isolierte Massezunahme wurde im Bereich der lateralen Prothesenschulter verzeichnet. Die Abnahme der Knochenmasse des gesamten Femurs betrug 2,8%. In der DEXA-Validierungsstudie kam es zu keiner Revision oder Lockerung. Der stärkste Dichteabfall wurde in R1 mit -11,5% nach 1 Jahr gemessen. In den ersten 12 Monaten nahm die Dichte in R7 um 9,5% ab, stieg jedoch im folgenden Jahr auf 0,06 g/cm² über den Ausgangswert. Nur in R6 stieg die Knochendichte signifikant (p<0,001) um 10,6%. Eine Berechnung der detektierten Knochenfläche erbrachte nur für R7 einen signifikanten Abfall (p<0,001).

Das numerische Modell konnte erfolgreich validiert werden. Es zeigt, dass stress shielding nur weit proximal auftritt, der Masseverlust gering ist und die Diaphyse nicht beeinträchtigt wird. Die Dichteerhöhung in R6 zeigte sich in der Simulation weniger ausgeprägt als in den DEXA Ergebnissen. Die simulierte Abstützreaktion der Prothesenschulter kann mit der DEXA Methode nicht nachgewiesen werden. Abweichend zum FE-Modell wird im DEXA in R7 eine Dichtezunahme registriert. Dies erklärt sich durch die starke Resorption des proximalen Calcars. Der verbleibende Calcarrest wird belastet, nimmt an Dichte zu und wird durch das DEXA System registriert.