Biomechanischer Vergleich zweier Implantationsverfahren hinsichtlich der Verankerungsqualität von Hüftendoprothesen

Abstract

Femora mit schlechter knöcherner Struktur, Zementreste im Markraum und sklerotisch veränderte Bereiche sind nur einige Herausforderungen, die es bei der Implantation einer Revisionsendoprothese zu bewältigen gilt. Um bestmögliche Voraussetzungen für die Implantation einer Prothese zu schaffen, hat die Aufbereitung des Markraumlagers eine hohe Priorität und ist Voraussetzung für eine dauerhafte Funktion des Implantates. Diese Arbeit konzentriert sich hierbei auf die Aufbereitung des Markraumlagers mit Reibahlen für konische Prothesenschäfte mit rundem Querschnitt. Ein Aufreiben des Markraumes kann mit unterschiedlichen Drehzahlen erfolgen. Erkenntnisse über die Bedeutung der Drehzahlen auf die anschließend erreichte Primärstabilität und die daraus resultierende Verankerungsqualität sind bislang unbekannt. Es wurde für diese Arbeit ein Kunstknochenmaterial ausgewählt, welches in seinen Parametern der Spongiosa echter Femora nachempfunden ist. Hierdurch konnten etwaige Beeinflussungen der Versuchsdrehzahlen durch interindividuelle Unterschiede humaner Präparate ausgeschlossen werden. Des Weiteren wurde der Versuchsaufbau so entwickelt, dass unter standardisierten Versuchsbedingungen unter Benutzung verschiedener Drehzahlen der Markraum zunächst aufgebohrt und anschließend aufgerieben werden konnte. In dieser Arbeit wurden zwei, auf dem europäischen bzw. internationalen Markt etablierte, Prothesensysteme verglichen. Hierbei handelt es sich um den Wagner SL® Revisionsschaft der Firma ZIMMER/Biomet und die MP- Rekonstruktionsprothese® der Firma LINK. Nach dem Aufreiben des Markraumkanals mit einer jeweils festgelegten Drehzahl wurden entsprechend passende Prothesen implantiert. Im Anschluss daran wurde das etablierte Prinzip der Rotationsmessmaschine verwendet und somit der Prothesen-Femur-Verbund auf Mikrobewegungen zwischen Kunstknochen und Prothese untersucht. Es erfolgte hieraus eine Aufstellung von Bewegungsgraphen, die ein Abbild der entstandenen Verankerungszonen darstellen. Aus den erhaltenen Daten über die Relativbewegungen und die entstandenen Bewegungsgraphen erfolgte anschließend die statistische Auswertung. Hierzu wurden beide Prothesensysteme unabhängig voneinander an den einzelnen Beobachtungspunkten und für die verschiedenen Drehzahlen beurteilt. Abschließend erfolgte eine Gegenüberstellung beider Prothesensysteme. Bei der alleinigen Betrachtung der MP- Rekonstruktionsprothese® ergaben sich durch die verwendeten Drehzahlen starke Unterschiede in den einzelnen Messpunkten. Die beste Verankerung konnte bei der niedrigsten Drehzahl erzielt werden. Hier kann von einer sehr gleichmäßigen und überwiegend langstreckigen Verankerungszone ausgegangen werden. Eine weniger gute Verankerung konnte für die hohe Drehzahl bei diesem Prothesensystem erzielt werden. Die für diese Drehzahl erhaltenen Werte liegen jedoch noch unter dem kritischen Wert von 100-150µm. Somit wäre eine erfolgreiche Osteointegration auch in diesem Fall noch immer möglich. Die verwendete mittlere Drehzahl erzielte bessere Werte als die schnelle Drehzahl, blieb jedoch mit ihrer Verankerungsqualität hinter der langsamen Drehzahl zurück. Der verwendete Wagner SL® Revisionsschaft zeigte ein ähnliches Bild auf. Insgesamt konnte bei den drei verschiedenen Drehzahlen eine ausreichende Primärstabilität erreicht werden. Die besten Versuchsergebnisse wurden jedoch, wie auch bei der MP-Prothese, bei Verwendung der langsamen Drehzahl erzielt. Hier konnten die geringsten Relativbewegungen festgestellt werden, was auf eine bessere Primärstabilität schließen lässt. Beim direkten Vergleich beider Prothesensysteme konnten keine signifikanten Unterschiede festgestellt werden. Bei beiden Prothesensystemen zeigt sich ein vergleichbares Verankerungsmuster. Zusammenfassend kann bei beiden Prothesensystemen eine ausreichende Primärstabilität in jedem Fall attestiert werden. Femurs with faulty bone structure, hardening of the medulla in the medullary cavity and areas that are affected by sclerosis conditions, are only a few of the problems that has to be solved by the implantation of a revision hipprosthesis.The preparation of the medullary cavity is one of the most important aspect of implanting a hip prosthesis, as this will result in a long lasting and functional implant.This thesis is concentrating on the preparation of the medullary cavity with the use of a reamer for conical and round hip stems.Different revolution speeds can be used for the reaming of the medullary cavity. Previously, there was no evidence of whether or not the speed of revolutions used in reaming the medullary cavity would affect the success of the implantation and its stability afterwards.For this thesis, a synthetic bone material was used similar to the natural bone material of the proximate femur. With the use of a synthetic bone material, it is possible to avoid the complications that would arise out of using natural bone material which differs for each individual person.The experimental set-up had a standardized procedure. First of all for drilling and then afterwards for reaming the medullary cavity. This reaming was done while using different revolution speeds.This thesis compared two different prosthesis systems which are both well established on the European and international market (Wagner SL® Revision stem, Zimmer-Biomet, Warsaw, Indiana, USA and MP- Reconstruction System, Link, Hamburg, Germany).After reaming the medullary cavity with an elected revolution speed of reaming, the implantation of the prosthesis into the synthetic bone was done. Following this process, the well established principle of using a spatial measuring device was incorporated. This allowed for the detection of any micro-motion in between the synthetic medullary cavity and the stem itself. These micro-motions were measured in four independent points along the stem.The results of the micro-motion testing, as shown in a special chart, helped to detect the zone of anchoring or bracing of the stem. In the statistical analysis, the two prosthesis systems were compared. Four different measuring points in the medullary cavity were investigated after preparing the cavity with defined revolution speeds.Afterwards, a general comparison of the two different prosthesis systems was made.On examination of the MP- Rekonstruktionsprothese® , there were big differences in the results shown for the different revolutions speeds of reaming the medullary cavity. The best result for bracing the stem was achieved with the use of a very slow revolution speed of reaming. This may lead to a long zone of bracing of the stem in the femur and consecutively to a high primary stability of the hip prosthesis. The worst results, showing the most micro-motion in comparison, were made by the use of a fast revolution of reaming. However, the measured micromotions are still under the critical limit and osteointegration may occur. Using the middle rate of revolution achieved results that were in the middle of those for the fast and slow revolutions.In comparison, the other prosthesis used for this testing, the Wagner SL® Revisionsschaft , showed similar results. In summary, all three different revolutions of reaming which were used produced a sufficient primary stability of bracing. Again, the best results were achieved by using a slow revolution with lowest micro-motions after implanting the stem.The results of this comparison of both prosthesis systems showed that there was no significant difference between the two. Both systems showed a similar anchoring pattern in the medullary cavity of the femor.In summary both prothesis systems have shown that they can provide a good primary stability of the stem.