Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1018
Main Title: Musculoskeletal Loading and Pre-clinical Analysis of Primary Stability after Cementless Total Hip Arthroplasty in vitro
Translated Title: Muskuloskeletale Belastung und prae-klinische Analyse der Primaerstabilitaet nach zementfreier Totalhueftarthroplastik in vitro
Author(s): Kassi, Jean-Pierre
Advisor(s): Duda, Georg
Referee(s): Duda, Georg
Blessing, Lucienne
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Der klinische Erfolg zementfreier Prothesen wird von ihrer Primärstabilität bestimmt. Prä-klinische Analysen der Primärstabilität unter Verwendung ungeeigneter Belastungen können zu einer unrealistischen Evaluierung führen. Das Ziel dieser Studie war daher a) vereinfachte, aber repräsentative Lastprofile einzuführen, b) einen entsprechenden physiologisch-ähnlichen Prüfstand zu implementieren und c) den Einfluss eines solchen Prüfstands auf die Primärstabilität zementfreier Hüftprothesen zu ermitteln. Mit Hilfe eines muskuloskeletalen Computermodells der unteren Extremitäten wurden vereinfachte Lastprofile mit maximal vier Muskeln beim Gehen und beim Treppensteigen ermittelt und mit in vivo Daten verglichen. Ein Prüfstand bestehend aus einer Prüfmaschine und vier Aktuatoren wurde verwendet, um die Hüftkontaktkraft durch Aufbringung der Muskelkräfte am Femur zu erzeugen. Zusätzlich wurde eine Lastkonfiguration, die nur die beim Treppensteigen auftretende Hüftkontaktkraft am Prothesenkopf applizierte, simuliert. Metaphysär und meta-diaphysär verankernde Prothesen wurden in Kunstfemora implantiert und mit Wegaufnehmern bestückt. Während der anschließenden zyklischen Belastung wurden elastische und plastische Mikrobewegungen gemessen. Die berechneten Hüftkontaktkräfte waren um weniger als 10% größer als die in vivo Werte und um bis zu 12% größer als die in vitro erzeugten Hüftkontaktkräfte. Treppensteigen mit der Hüftkontaktkraft alleine bewirkte signifikant kleinere Mikrobewegungen als nach aktiver Simulation von Muskelkräften. Im Vergleich zu Laufen führte Treppensteigen zu größeren Mikrobewegungen. Metaphysär und meta-diaphysär verankernde Prothesen zeigten ähnliche Bew ungsmuster. Die Metaphysärprothese wies jedoch höhere Mikrobewegungen auf. Die vorliegenden Analysen legen nahe, dass die aktive Simulation von Muskelkräften die Primärstabilität zementfreier Prothesen wesentlich beeinflusst. Treppensteigen verursacht die höchste mechanische Instabilität am Knochen-Prothesen-Interface. Das vorgestellte, neue Testverfahren mit aktiver Simulation von Muskelkräften erlaubt eine realistischere prä-klinische Evaluierung der Primärstabilität zementfreier Hüftprothesen in vitro und sollte daher bei Analysen der Primärstabilität vor dem klinischen Einsatz berücksichtigt werden. Andernfalls können Mikrobewegungen unterschätzt und die Primärstabilität überschätzt werden, mit der Folge einer höheren Rate an Prothesenlockerungen und Re-Operationen.
The clinical success of cementless prostheses is influenced by their primary stability. Pre-clinical analyses of the primary stability using inappropriate loads may lead to an unrealistic assessment. The goal of this thesis was therefore a) to introduce simplified, but representative load profiles of the femur, b) to implement a corresponding physiological-like loading model and c) to determine the influence of such a model on the primary stability of cementless hip prostheses. Using a musculoskeletal computer model of the lower extremities, simplified load profiles including the forces of up to four muscles were determined throughout walking and stair climbing and compared to in vivo data. A set-up consisting of a testing machine and four actuators was used to generate the hip contact force by transmitting muscle forces through the femur. In addition, a loading configuration which only generated the hip contact force occurring during stair climbing at the prosthesis head was simulated. Metaphyseal and meta-dia yseal anchoring prostheses were implanted in composite femora and instrumented with displacement transducers to measure elastic and plastic interface micro-movements during cyclical loading. The computed hip contact forces overestimated the in vivo values by less than 10%, while the in vitro applied hip contact forces were up to 12% lower than the computed values. Stair climbing with the femur loaded by the hip contact force only exhibited significantly lower micro-movements than under active simulation of muscle forces. Compared to walking, stair climbing generated higher micro-movements. Metaphyseal and meta-diaphyseal anchoring stems showed similar movement patterns. However, the metaphyseal stem exhibited higher movements. The analyses suggest that active simulation of muscle forces considerably affects the primary stability of cementless hip prostheses. Stair climbing induced the highest mechanical instability at the bone-prosthesis interface. The presented new test procedure including the active simulation of muscles allows a more realistic pre-clinical evaluation of the primary stability of cementless hip prostheses in vitro and should therefore be taken into consideration in primary stability analyses of hip prostheses prior to clinical release. Otherwise micro-movements may be underestimated and the primary stability overestimated, leading to a higher rate of prosthesis loosening and re-operations.
Le succès clinique des prothèses non cimentées est influencé par leur stabilité primaire. Les analyses pré-cliniques de la stabilité primaire utilisant des charges inappropriées peuvent conduire à une évaluation irréaliste. Le but de cette thèse était de ce fait a) d introduire un systeme de charges du fémur simplifié, mais réprésentatif, b) d implémenter un banc d essai quasi-physiologique correspondant et c) de déterminer l influence d un tel dispositif sur la stabilité primaire des protheses de la hanche non cimentées. A l aide d un modèle informatique musculo-squelettique des membres inférieures, un système de chargement simplifié comprenant les forces de jusqu'à quatre muscles a été déterminé pendant la marche et la montée d escaliers et comparé aux charges in vivo. Un dispositif comprenant une machine d essai et quatres moteurs a été utilisisé pour produire la force de contact articulaire en transmettant les forces musculaires par le fémur. En plus, une configuration appliquant uniquement la force de contact à la tête fémorale a été simulée. Des prothèses à ancrage métaphysaire et méta-diaphysaire ont été posées dans des fémurs synthéthiques équipés de senseurs permettant de mesurer les micro-mouvements élastiques et plastiques à l interface os-implant sous chargement cyclique. Les forces de contact articulaires calculées ont surestimé les valeurs mésurées in vivo d au moins 10%, pendant que les forces appliquées in vitro étaient jusqu'à 12% inférieures aux valeurs calculées. L application unique de la force de contact articulaire pendant la montée d escaliers a provoqué des micro-mouvements significativement inférieurs à ceux mésurés sous la simulation active des forces musculaires. Comparée à la marche, la montée d'escaliers a produit des micro-mouvements plus élévés. Les mouvements des tiges métaphysaires et meta-diaphysaires étaient de type similaire, avec cependant une amplitude supérieure pour tige métaphysaire. L analyse suggère que la simulation active des forces musculaires affecte considérablement la stabilité primaire des prothèses de la hanche non cimentées. La montée d escaliers provoque la plus grande instabilité mécanique au niveau de l interface os-prothèse. Cette nouvelle procédure d essai incluant la simulation active des muscles permet une évaluation pré-clinique plus réaliste de la stabilité primaire des prothèses non cimentées in vitro et devrait donc être prise en considération lors des analyses précédant l utilisation clinique. Sinon, les micro-mouvements pourraient être sous-estimés et la stabilité primaire surestimée, conduisant ainsi à un taux plus élévé de descellement fémoral et de reprises chirurgicales.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-9187
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1315
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1018
Exam Date: 25-Oct-2004
Issue Date: 13-Jan-2005
Date Available: 13-Jan-2005
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): In vivo ähnliche Belastung
Mechanischer Prüfstand
Muskelkräfte
Präklinische Analyse
Primaerstabilitaet in vitro
Zementfreie Hüftprothesen
Cementless hip prostheses
Mechanical test set-up
Muscle forces
Physiological-like loading
Pre-clinical analysis
Primary stability in vitro
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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