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Loading of total hip joint replacements

Damm, Philipp

Inst. Maschinenkonstruktion und Systemtechnik

Der totale Hüftgelenkersatz zählt zu den erfolgreichsten Operationen in der Endoprothetik. Jedoch ist das Patientenspektrum in den letzten Jahren immer jünger und aktiver geworden. Dadurch ist der Anspruch im Hinblick auf die Belastbarkeit und Lebensdauer dieser Implantate gestiegen. Bezüglich dieser erhöhten Beanspruchung der Implantate stellt insbesondere der reibungsinduzierte Abrieb der Gelenkpartner noch ein Problem dar. Für die Optimierung der Gleitpartner werden Daten über die in vivo wirkenden Reibparameter benötigt, um den Gelenkverschleiß, große Reibmomente an der Pfanne und daraus folgende Lockerungen der Prothesen zu minimieren. Ebenso sind realistische Daten über die auftretenden Gelenkbelastungen während der Rehabilitation bzw. im Alltag erforderlich, um Ärzten und Patienten Hinweise für eine optimale postoperative Nachbehandlung geben zu können. Eine im Rahmen dieser Arbeit entwickelte instrumentierte Hüftendoprothese mit einer Keramik-Polyethylen Paarung ermöglicht es erstmalig, die Kontaktkräfte und Reibmomente in vivo zu messen. 10 Coxarthrose-Patienten wurden mit einem solchen instrumentierten Implantat versorgt. Beim Gehen wird das Gelenk im Mittel mit einer Kontaktkraft von 248%BW belastet. Durch Unterarmgehstützen war es möglich, die Kontaktkraft um 17% (3-Punkt), 12% (4-Punkt) bzw. 13% beim 2-Punkt Gang zu reduzieren. Erstmalige in vivo Messungen zeigten, dass das Reibmoment beim Gehen während der gesamten Standphase kontinuierlich ansteigt, mit einem mittleren Maximum von 0,22%BWm. Jedoch traten große inter-individuelle Unterschiede auf. Der sich während jedem Schritt ändernde Reibungskoeffizient deutet darauf hin, dass sich die Schmierbedingungen im Gelenkspalt von Mischreibung nach dem Auftreten zu Trockenreibung während der Schwungphase ändern. Die großen individuellen Unterschiede der wirkenden Reibung werden evtl. durch die individuellen Schmiereigenschaften der Synovia verursacht.
Total hip joint replacements are one of the most successful operations in joint arthroplasty. However, patients have become younger and more active in recent years. Thus the requirements for implants in terms of load–carrying ability and lifetime have increased. Increased loads and resulting friction-induced wear of the joint partners still pose a significant problem. In order to optimize gliding partners of the implant, realistic in vivo friction parameters are needed in order to minimize wear and moments acting at the cup and subsequent loosening of the implant. Representative in vivo joint load data during rehabilitation and everyday activity such as walking is also needed in order to improve the patient’s postoperative care. As part of this work, an instrumented hip prosthesis with a ceramic-polyethylene pairing was developed, creating the unique opportunity to measure contact forces and friction moments in vivo for the first time. Ten osteoarthritis patients were provided with such instrumented implants as part of this study. When walking, the joint is loaded on average with a contact force of 248% BW. Using crutches reduced the joint contact force during walking by 17% during 3-point, 12% during 4-point and 13 % during 2-point gait. The unique dataset of in vivo friction during walking has shown that friction torque increases continuously during the entire stance phase to an average maximum of 0.22%BWm. However, great inter-individual variability was observed. The changes of the coefficient of friction during every step indicated that the lubrication conditions of the fluid film changed from mixed to dry during the swing phase. The large individual friction differences may be caused by different lubrication properties of the synovial fluid.