Gelenkbelastung & Muskel-Skelett-Analyse

Die Belastung künstlicher Gelenke und anderer orthopädischer Implantate ist noch immer teilweise unbekannt. Die auf diese Implantate einwirkenden Kräfte müssen daher für viele Zwecke ermittelt werden.

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Dr.-Ing. Philipp Damm

Projektleiter - Gelenkbelastung

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Hüftgelenk - Instrumentierte Implantate

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.

Publikationen

chnittmodell einer Hüftendoprothese mit 4-Kanal Telemetrie

Instrumentierte Hüftendoprothese zur Messung der Kräfte (Hip I)

Die Hüftprothese besteht aus einer Titanlegierung mit einem Keramikkopf. In einer Bohrung befinden sich der elektronische Telemetriesender und die Sensoren. Drei Halbleiter-Dehnungsmessstreifen sensieren die Belastung. Sie sind mit den ersten drei Kanälen des 4-Kanal Telemetriesenders verbunden. Die instrumentierte Hüftendoprothese mißt die dreidimensionale Hüftgelenkkraft und die Temperatur im Hals des Implantats. Seit 1988 wurden bei drei Patienten vier instrumentierte Hüftendoprothesen mit 4-Kanal Telemetriesender eingesetzt.

Publikation

Schnittmodell einer Hüftendoprothese mit zwei 8-Kanal Telemetriesendern

Instrumentierte Hüftendoprothese zur Messung der Erwärmung (Hip II)

Um die Erwärmung künstlicher Hüftgelenke genauer zu untersuchen, wurde eine Hohlschaft-Hüftendoprothese mit Temperatursensoren und zwei 8-Kanal Telemetriesendern instrumentiert. An acht Stellen sensieren Thermistoren die lokalen Temperaturen. Drei Dehnungsmessstreifen im Hals erlauben die Messung der drei Gelenkkraftkomponenten, ein vierter im oberen Schaftbereich erfasst die Dehnung des Schafts. Ein Telemetriesender befindet sich im Hals der Prothese, der zweite ist im Schaft untergebracht. Seit Mai 1997 wurden fünf instrumentierte Hohlschaft-Hüftendoprothesen bei vier Patienten implantiert.

Publikation

Schnittmodell einer Hüftendoprothese mit 9-Kanal Telemetrie

Instrumentierte Hüftendoprothese zur Messung der auftretenden Momente (Hip III)

Um auch die auftretenden Momente im Hüftgelenk messen zu können, wurde ein Standart Hüftimplantat im Halsbereich mit eigens entwickelten Halbleiter-Dehnungsmessstreifen und einem 9-Kanal Telemetriesender versehen. Mittels der sechs Dehnungsmessstreifen werden die belastungsbedingten Verformungen des Halses ca. 120 mal pro Sekunde erfasst. Seit April 2010 wurden zehn Hüftendoprothesen mit 9-Kanal Telemetriesender bei 10 Patienten implantiert und Kräfte und Momente gemessen.

Publikation

Wichtige Erkenntnisse über die Belastung der Hüfte

Beim Gehen liegen die Gelenkkräfte typischerweise bei 250% Körpergewichts (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].

Das Stehen auf einem Bein bewirkt fast die gleiche Belastung wie das langsame Gehen.

Beim Treppensteigen sind die Belastungen nicht wesentlich größer als beim Gehen, allerdings ist die Drehbeanspruchung der Implantate erhöht (Video 709kB) [Bergmann et al., 1995].

Extreme Belastungen treten beim Stolpern auf. Hierbei wurde weit mehr als das achtfache Körpergewicht gemessen (Video 631kB) [Bergmann et al., 2004].

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.

Wenn ältere Patienten Gehstützen verwenden, wird die Belastung des Hüftgelenks viel weniger entlastet als gemeinhin angenommen wird.

Weiche Schuhe oder weiches Bodenmaterial sind nicht geeignet, die Spitzenkräfte im Hüftgelenk zu reduzieren [Bergmann et al., 1995].

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].