Visualisierung der Knochen-Prothesen-Verbundfestigkeit durch die Analyse implantationsbedingter Akustiksignale bei einer zementfreien Hüftkurzschaftprothese

Abstract

Erfahrene Operateure der hiesigen Klinik für Orthopädie des UKGM berichten, dass sie anhand der auftretenden und veränderlichen Akustiksignale, die während der Implantation einer Endoprothese auftreten, den festen primären Sitz des Implantats subjektiv abschätzen können. Bisher existiert keine Messmethode, um diese Tonveränderungen ausreichend zu quantifizieren und mit der Stabilität des Implantats in Verbindung zu bringen. Ziel des vorliegenden Projekts ist es, die während der Implantation von zementfreien Hüft-Endoprothesen auftretenden Akustiksignale zu erfassen und einen Zusammenhang mit der Primärstabilität oder drohenden Komplikationen aufzuzeigen. Des Weiteren soll statistisch geprüft werden, ob patientengebundene Faktoren wie Alter, Geschlecht, Body-Mass-Index, Canal-Flare-Index und die Knochendichte Einfluss auf die Akustiksignale nehmen und somit in der Etablierung künftiger Analyseverfahren berücksichtigt werden müssten. Es wurden 30 Teilnehmer mit einer zementfreien Metha®-Kurzschaftprothese versorgt. Die implantationsbedingten Akustiksignale wurden mit einem Kompakt-Richtmikrofon bei einer Abtastrate von 48 kHz aufgezeichnet. Anschließend wurden die einzelnen Hammerschläge mittels Audacity markiert sowie Störsignale entfernt. Zur Analyse der Schallemissionen wurden in MATLAB mittels energienormierten Powerspektren Schlag-Sequenz-Korrelationsmatrizes erstellt, um Änderungen der Frequenzkomponenten im Verlauf der Insertion zu detektieren. Anhand der Übergänge im Gradienten der Korrelationsmatrix wurden die Daten in zwei Bereiche aufgeteilt und ein gemitteltes Powerspektrum bestimmt. Mithilfe des Friedmann-Tests wurde ein Unterschied in der zentralen Tendenz der gemittelten Powerspektren überprüft. In der Schlag-Sequenz-Korrelationsmatrix zeigte sich im Verlauf der Insertion ein Anstieg der Korrelationskoeffizienten. Der Friedmann-Test zwischen den beiden Bereichen lieferte einen signifikanten Unterschied mit den mittleren Rängen des ersten Bereiches 1,53 und des zweiten Bereiches 1,47 (p < 0,5). Durch die Powerspektren konnte mit Fortschreiten der Insertion eine Umverteilung der energienormierten Leistung vom hochfrequenten zum niederfrequenten Bereich festgestellt werden. Der Mediantest für BandpowerArea1 und BandpowerArea2 nach kategorialer Aufteilung für CFI (p = 0,616), BMD- trabekulär (p = 0,639) / -kortikal (p = 0,849) lieferte keinen signifikanten Unterschied. Die Korrelationskoeffizienten nach Spearman-Rho zeigten mit einem minimalen k = 0,367 und maximalem k = -0,558 einen schwachen bis mittelstarken linearen Zusammenhang zwischen den patientengebundenen Faktoren und der Systemantwort. Die Powerspektren ändern sich im Verlauf der Implantation signifikant. Der feste Sitz der Prothese führt dazu, dass sich ein Verbund aus Knochen, Prothese, Einschläger und Hammer bildet, bei dem sich die Frequenzkomponenten der einzelnen Schläge nur noch gering unterscheidet. In diesem Kollektiv hatten die patientengebundenen Faktoren keinen signifikanten Einfluss auf die Systemantwort. Sollte diese Ergebnis nach Vergrößerung des Kollektivs reproduzierbar sein, müssen bei der Etablierung künftiger Messmethoden keine patientengebundenen Faktoren berücksichtigt werden. Mit Ausbau des Datenpools, Follow-Up- und in vitro-Untersuchungen könnte die Quantifizierung der intraoperativen Implantat-Stabilität und die Entwicklung eines intraoperativen Feedback Instruments möglich sein.