Hüftgelenk

Dr.-Ing. Philipp Damm

Sie befinden sich hier:

Das Hüftgelenk

Modell eines künstlichen Hüftgelenks

Neben dem Knie ist die Hüfte das am höchsten beanspruchte Gelenk. In höherem Alter tritt bei vielen Personen im Hüftgelenk Arthrose auf und erfordert dann oft den Ersatz des Gelenks durch eine Endoprothese. Allein in Deutschland werden mehr als 200.000 künstliche Hüftgelenke pro Jahr implantiert (Quelle: Statistisches Bundesamt, Daten aus dem Jahr 2011). Dabei gibt es verschiedene Arten der Endoprothesen und ihrer Verankerung im Knochen, die alle spezielle Vorzüge haben und je nach der individuellen Situation des Patienten gewählt werden. In den meisten Fällen können Patienten damit rechnen, dass ihre Mobilität wieder hergestellt wird und das die Implantate mindestens 15 Jahre gut funktionieren.

In einigen Fällen kann es aber nach mehreren Jahren zu Komplikationen kommen. Ursachen können z.B. besonders hohe Belastungen des Gelenks oder der Verschleiß der Kunststoffkomponenten sein. Auch für die weitere Verbesserung der Verankerung der metallischen Implantate im Knochen wird intensive Forschung getrieben. Voraussetzung für alle Verbesserungen ist aber, dass die Belastungen des Hüftgelenks bekannt sind. Die von uns entwickelten instrumentierten Hüftendoprothesen erlauben es, die im Gelenk wirkenden Kräfte direkt im Patienten zu messen. Mit dem seit 2010 eingesetzten Hüftimplantat (Hip III) werden neben den Kraftkomponenten auch drei Momente gemessen.

Instrumentierte Hüftendoprothese mit 4-Kanal Telemetriesender (Hip I)

Schnittmodell einer Hüftendoprothese mit 4-Kanal Telemetrie

Die Hüftprothese besteht aus einer Titanlegierung mit einem Keramikkopf. In einer Bohrung mit einem Durchmesser von 9,5 mm und einer Tiefe von 32 mm befinden sich der elektronische Telemetriesender und die Sensoren. Drei Halbleiter-Dehnungsmessstreifen, geklebt auf der Innenseite des hohlen Prothesenhalses, sensieren die Belastung. Sie sind mit den ersten drei Kanälen des 4-Kanal Telemetriesenders verbunden. Zwei elektrische Durchleitungen, welche in die Deckplatte der Prothese eingeschweißt sind, bilden im verbleibenden Hohlraum des Keramikkopfes eine schleifenförmige Sendeantenne. Nachdem Sensoren und Telemetrie im Hals untergebracht sind wird die Deckplatte aufgeschweißt und verschließt die elektronischen Bauelemente hermetisch dicht.


Die instrumentierte Hüftendoprothese mißt die dreidimensionale Hüftgelenkkraft und die Temperatur im Hals des Implantats [Graichen et al., 1991]. Seit 1988 wurden bei drei Patienten vier instrumentierte Hüftendoprothesen mit 4-Kanal Telemetriesender eingesetzt (EBL/EBR, JBR, IBL).

Instrumentierte Hüftendoprothese mit zwei 8-Kanal Telemetriesendern (Hip II)

Schnittmodell einer Hüftendoprothese mit zwei 8-Kanal Telemetriesendern

Um die Erwärmung künstlicher Hüftgelenke genauer zu untersuchen, wurde eine Hohlschaft-Hüftendoprothese mit Temperatursensoren und zwei 8-Kanal Telemetriesendern instrumentiert
[Graichen et al., 1999].

Eine gemeinsame Spule in der Mitte des Schafts versorgt beide Telemetriesender mit Energie. An acht Stellen, verteilt über Schaft und Hals der Prothese, sensieren Thermistoren die lokalen Temperaturen. Drei Dehnungsmessstreifen (DMS) im Hals erlauben die Messung der drei Gelenkkraftkomponenten, ein vierter DMS im oberen Schaftbereich erfasst die Dehnung des Schafts. Ein Telemetriesender befindet sich im Hals der Prothese, der zweite ist im Schaft untergebracht.

Eine im Prothesendeckel eingeschweißte Glasdurchleitung mit vier Leitern formt zwei Antennenschleifen zur Abstrahlung der Messwerte. Seit Mai 1997 wurden fünf instrumentierte Hohlschaft-Hüftendoprothesen bei vier Patienten implantiert (KWL/KWR, HSR, PFL, RHR).

Instrumentierte Hüftendoprothese mit 9-Kanal Telemetriesender (Hip III)

Schnittmodell einer Hüftendoprothese mit 9-Kanal Telemetrie

In bisherigen Untersuchungen an Patienten mit instrumentierten Hüftendoprothesen konnten nur die wirkenden Kräfte, jedoch nicht die auftretenden Momente im Hüftgelenk gemessen werden. Um auch die Momente messen zu können, wurde ein Standart Hüftimplantat im Halsbereich mit einer Bohrung (Ø10mm) versehen. Hier sind die eigens entwickelten Halbleiter-Dehnungsmessstreifen (DMS), der 9-Kanal Telemetriesender und die Energiespule zur induktiven Spannungsversorgung untergebracht. Mittels der sechs DMS werden die belastungsbedingten Verformungen des Halses ca. 120 mal pro Sekunde erfasst, in eine Pulsfolge umgewandelt und aus dem Implantat heraus gesendet. Eine Deckplatte aus Titan verschließt den Hohlraum der Prothese hermetisch dicht.

Sie wird per Elektronenstrahl verschweißt und enthält in der Mitte eine 2-polige Durchleitung für den Drahtbügel der Sendeantenne [Damm et al., 2010]. Seit April 2010 wurden zehn Hüftendoprothesen mit 9-Kanal Telemetriesender bei 10 Patienten (H1L, H2R, H3L, H4L, H5L, H6R, H7R, H8L, H9L und H10R) implantiert und Kräfte und Momente gemessen. Es sind keine weiteren Implantationen geplant.

Ausgewählte Ergebnisse

Patient während der Gelenkkraftmessung

Die gemessenen Kräfte im Gelenk werden in Prozent vom Körpergewicht (%BW, body weight) angegeben. Die Messgenauigkeit der Hüftendoprothesen liegt bei 1% bis 2%.

  1. Beim Gehen liegen die Gelenkkräfte typischerweise bei 250%BW (Video 754kB). Allerdings sind die Belastungen individuell unterschiedlich. Aber schon beim langsamen Joggen können sie auf 500%BW ansteigen [Bergmann et al., 1993] [Bergmann et al., 2001].
  2. Das Stehen auf einem Bein bewirkt fast die gleiche Belastung wie das langsame Gehen.
  3. Beim Treppensteigen sind die Belastungen nicht wesentlich größer als beim Gehen, allerdings ist die Drehbeanspruchung der Implantate erhöht (Video 709kB) [Bergmann et al., 1995].
  4. Extreme Belastungen treten beim Stolpern auf. Hierbei wurde weit mehr als das achtfache Körpergewicht gemessen (Video 631kB) [Bergmann et al., 2004].
  5. Beim Fahrradfahren oder auf dem Fahrrad-Hometrainer ist die Hüftgelenksbelastung typischerweise nur halb oder ein Drittel so groß wie beim Gehen (Video 752kB). Zum Kreislauf- oder Fitness-Training von Patienten mit künstlichen Hüftgelenken oder Arthrose im Hüftgelenk ist ein Hometrainer daher gut geeignet.
  6. Wenn ältere Patienten Gehstützen verwenden, wird die Belastung des Hüftgelenks viel weniger entlastet als gemeinhin angenommen wird.
  7. Weiche Schuhe oder weiches Bodenmaterial sind nicht geeignet, die Spitzenkräfte im Hüftgelenk zu reduzieren [Bergmann et al., 1995].
  8. Wenn beim Gehen ein schweres Gewicht in einer Hand getragen wird, so wird das Hüftgelenk auf der Gegenseite wesentlich stärker belastet als auf der Seite, auf welcher das Gewicht getragen wird  [Bergmann et al., 1997].



Weitere Daten über die Belastung des Hüftgelenks sind aus der Datenbank OrthoLoad abrufbar.

Ansprechpartner

Dr.-Ing. Philipp Damm

Wissenschaftlicher Mitarbeiter