Hörbare Vibrationen in künstlichen Hüftgelenken

A. Hothan, G. Huber, C. Weiß, K. Sellenschloh, N. Hoffmann, M.M. Morlock

In letzter Zeit ist das Quietschen künstlicher Hüftgelenke mit Keramik auf Keramik Gleitpaarungen ein viel beachtetes Thema. Obwohl zahlreiche Publikationen die für dessen Auftreten relevanten klinischen Faktoren diskutieren, sind die zugrunde liegenden Mechanismen noch immer unbekannt.

Quietschen tritt auf, sobald Strukturschwingungen in dem Maße angeregt werden, dass deren Amplitude die Emission von hörbaren Schwingungen erlauben. Dieses ist typischerweise möglich, wenn die Frequenz der Anregung eine Eigenfrequenz eines Teils oder des Gesamtsystems trifft. Die Prothesenschäfte sind aufgrund ihrer Form die hauptsächlichen Schwinger des Systems, welche durch das umgebende Gewebe und die wirkenden Kräfte verstimmt werden.

In einem Hüftsystem wird durch die Reibung zwischen den Keramik-Flächen während des Gangzyklus’ Energie in das Schwingsystem eingebracht – je niedriger die Reibung, desto niedriger der Energieeintrag. Eine erhöhte Reibung kann dazu führen, dass Schwingungsamplituden erreicht werden, die die Abstrahlung von außerhalb des Körpers deutlich wahrnehmenden Geräuschen erlauben.

Um dieses Phänomen zu untersuchen wurde ein Hüftsimulator aufgebaut, um Quietschen in vitro zu erzeugen und die dynamischen Mechanismen unter realistischen Bedingungen zu analysieren. Schmierung, das Spaltmaß der Paarung, Schaft- und Pfannendesign, das Kraftregime, die Gleitflächen-Rauhigkeit, die Komponenten-Orientierung und die Knochenqualität sind nur einige Beispiele der Faktoren, die das Auftreten und die Charakteristik des Quietschens beeinflussen. Modalanalysen, Analysen des Geräuschspektrums, Transferpfadanalysen, Betriebsschwingungsanalysen, jeweils unter Einsatz der Laservibrometrie und hochpräzisen Mikrofonen und Beschleunigungsaufnehmern, sowie explizite und implizite FE-Simulationen werden genutzt, um das dynamische Verhalten des Prothesen-Gewebe-Systems zu verstehen.

Die Ergebnisse dieser Studie werden dazu beitragen, die verantwortlichen Mechanismen und Einflussfaktoren zu identifizieren und eine Abhilfe zu entwickeln.

Diese Studie wird finanziell durch Ceramtec unterstützt. Die Komponenten wurden von Aesculap, Biomet, DePuy, Eska, Mathys, Plus und Smith&Nephew zur Verfügung gestellt.