Analyse des elastischen Verformungsverhaltens zementfreier Hüftkurzschaftprothesen unter Berücksichtigung der Schaftvalgisierung

Abstract

Die resultierende Hüftkraft fällt nicht mit der Schenkelhals- und der Diaphysenachse des Femurs zusammen, so dass ein Drehmoment im Varussinn auf das Femur wirkt. Das Varusdrehmoment muss von einem Querkräftepaar, welches abhängig von der Schaftstellung der Prothese ist, kompensiert werden. Da der Prothesenschaft jedoch deutlich weniger flexibel ist, als der Knochen, wird das Femur zwischen den beiden Querkräften, also über die gesamte Prothesenlänge, innerlich ausgesteift.Das vorliegende Forschungsprojekt hat daher zum Ziel, Kurzschaftprothesen experi-mentell auf ihr elastisches Verformungsverhalten unter Berücksichtigung der Schaftval-gisierung zu analysieren. Es wurden jeweils fünf Kurzschaftprothesen (AIDA®, Metha®, MiniHipTM) in neutraler und valgischer Schaftstellung standardisiert in Kunststoffemora implantiert. Mikrobe-wegungen der Prothesen und der Knochen wurden unter Einleitung eines axialen Kipp-moments MX von ± 3,5 Nm in medio-lateraler Richtung berührungslos durch ein opti-miertes System aus 9 Präzisionswegsensoren erfasst. Als statistische Methoden kamen Varianz-Analysen und der Friedmann-Test zur Anwendung. Ein p-Wert <0,05 wurde als statistisch signifikant erachtet. Alle Prothesenmodelle weisen unabhängig der Schaftstellung eine hauptsächlich proximale Verankerung auf. Die Schaftstellung wirkt sich hierbei nur geringfügig auf die Femuraussteifung aus. Bei der Betrachtung der errechneten Relativbewegung im Prothesen-Knochen-Verbund bei allen Prothesenmodellen und unabhängig der Schaft-stellung, fällt auf, dass an nahezu allen Messpunkten, Relativbewegung vorhanden sind, die den kritischen Grenzwert von 150 µm übersteigen und die Prothesenmodelle somit nicht osteointegriert werden dürften. Dies führt zu der These, dass Endoprothesen zunächst über die mechanischen Reize der Torsionsbelastung primärstabil verankern. Nachdem sich eine ausreichende sekundäre Torsionsstabilität im trabekulären System aufgebaut hat, kommt es zu einer Verminde-rung des Varusstresses und es kann sich eine tertiäre physiologische Ausrichtung im periprothetischen trabekulären System in Zug- und Druckbelastung in Abhängigkeit der eingeleiteten Varusmomente aufbauen. Um das Verankerungsverhalten bzw. das elasti-sche Verformungsverhalten von Hüftkurzschäften zu verbessern, sollten diese elasti-scher gemacht werden. Das würde dazu führen, dass die Prothesen die Verformung des Femurs nicht aussteifen würden, sondern mit einem sogenannten Gegenschwung der physiologischen Femurkrümmung folgen würden. The resultant hip force does not coincide with the femoral neck axis and the diaphyseal axis of the femur so that a varus torque acts on the femur. The varus torque must be compensated by a shear force couple depending on the shaft position of the prosthesis. However, since the prosthesis stem is significantly less flexible than the bone, the inte-rior of the femur is stiffened between two shear forces over the entire prosthesis length.The present research project thus aims at analyzing the short-stem prosthesis experi-mentally for its elastic bending characteristics under consideration of the inappropriate prosthetic stem s valgus alignment.Five short stem prostheses (AIDA®, Metha®, MiniHipTM) were implanted each in plastic femora in a standardized manner in neutral and valgus stem positions. Micromovements of the prosthesis and the bone were recorded applying an axial tilting moment MX of ± 3.5 Nm in medio-lateral direction by an optimized system consisting of 9 high-precision eddy current sensors. Variance analysis and Friedman test were the statistical methods used for this investigation. A p value <0.05 was considered statistically significant.Irrespective of the stem position, all prosthetic samples showed predominantly proximal anchorage. The stem position had only slight effects on the femur bending. Considering the calculated relative movement in the prosthesis-bone interface of all prosthetic sam-ples, irrespective of the stem position, it is of special interest that there were relative movements exceeding the critical limit of 150 µm at almost each measuring point, which showed that the prosthesis would not get osteointegrated. This leads to the hypothesis that endoprostheses first get anchored by mechanical tor-sional stimuli causing primary stability. After build-up of sufficient secondary torsional stability in the trabecular system, there will be a reduction of the varus stress facilitating a tertiary physiological alignment in the periprothetic trabecular system under tension and pressure loads as a function of the applied varus moments. In order to improve the anchoring or elastic bending characteristics of short hip stems, the elasticity of the stem design should be increased. That would mean the prothesis would not stiffen the femur, but rather follow the physiological femur curvature in the shape of a so called counter-swing.