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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Hüftgelenktemperatur
Das gesunde Hüftgelenk hat sehr geringe Reibung und ist gut geschmiert. Bei allen künstlichen Hüftgelenken ist die Reibung größer. Durch diese Reibung entsteht Wärme und es liegt die Vermutung nahe, dass sich Hüftimplantate bei lang anhaltenden Bewegungen und gleichzeitig hoher Belastung stärker erwärmen als natürliche Gelenke. Knochen und Weichteile könnten durch zu hohe Temperaturen eventuell geschädigt werde. Daher muss untersucht werden, welche Maximaltemperaturen auftreten können.
Hohe Temperaturen sind vor allem bei längeren Gehstrecken zu erwarten, da die Gelenkbelastung hierbei hoch ist und typischerweise beim Zweieinhalbfachen des Körpergewichts liegt. Die gebräuchlichsten Materialien für Hüftimplantate sind Metall oder Keramik für den Prothesenkopf und Kunststoff, Metall oder Keramik für die Pfanne. Es ist anzunehmen, dass die für das Implantat verwendeten Materialien einen Einfluss auf die Erwärmung haben.
Instrumentierte Hüftendoprothese zur Kraft- und Temperaturmessung
Zur Messung der Temperaturverteilung in Hüftendoprothesen wurde eine Messelektronik im Inneren eingebaut. Die instrumentierte Hüftprothese (Hip II) hat im Inneren drei Dehnmessstreifen zur Kraftmessung und acht Temperatursensoren, welche über die ganze Länge des Prothesenschaftes verteilt sind. Zwei 8-Kanal Telemetriesender dienen zur Übertragung von insgesamt 16 Messsignalen. Die Energieversorgung der inneren Messelektronik wird durch ein äußeres Magnetfeld und die Induktionsspule in Mitte des Prothesenschaftes sichergestellt [Graichen et al., 1999].
Der Schaft des Implantats besteht aus Titan, der Kopf mit der innen liegenden Sendeantenne ist aus Keramik gefertigt. Die künstliche Gelenkpfanne besteht aus Polyäthylen. Bei einem Patienten wurden zwei Hüftgelenken implantiert, im zweiten Gelenk wurde eine Pfanne aus Keramik statt aus Kunststoff verwendet.
Untersuchungen
Es wurden Messungen mit sieben instrumentierten Hüftendoprothesen bei fünf Patienten vorgenommen (EBL/EBR, KWL/KWR, HSR, PFL, RHR). Zusätzlich zu den Prothesentemperaturen und den Gelenkkräften wurden die Körpertemperatur und die Muskeltemperatur im Bereich des Hüftgelenks gemessen (Foto). Untersucht wurden die Ruhe-Temperaturen und der Temperaturanstieg während einer Stunde Gehen bei mittlerer Geschwindigkeit. Außerdem wurden die Temperaturen nach einer Stunde Radfahren auf dem Ergometer bei gleicher Körperleistung gemessen, da hierbei die Gelenkbelastung und damit die Reibung im Gelenk wesentlich kleiner sind.
In einer Computersimulation wurde zusätzlich berechnet, wie sich die durch Reibung im Gelenk ansteigende Temperatur im umgebenden Knochen und angrenzenden Weichteilen verteilt.
Ergebnisse
Das Diagramm zeigt die Endtemperaturen nach einer Stunde Gehen. Die Temperatur im Prothesenkopf ist am stärksten angestiegen (links, blauer Pfeil) [Bergmann et al., 2001A]. Dies ist die Stelle, wo beim Bewegen des Gelenks die Wärme durch Reibung zwischen Prothesenkopf und –pfanne erzeugt wird. Zur Prothesenspitze hin fällt die Temperatur ab. Die Maximaltemperatur stieg bei einem Patienten bis über 43 Grad Celsius (grün gepunktete Kurve), während sie bei anderen Patienten teilweise wesentlich geringer war. Aus der Computersimulation ergab sich als einzige plausible Erklärung für die individuell sehr unterschiedlichen Maximaltemperaturen die Vermutung, dass die Schmiereigenschaft der Gelenkflüssigkeit und damit die Temperaturentwicklung bei jeder Person sehr unterschiedlich sind [Bergmann et al., 2001B].
Beim Fahrradfahren liegen die Temperaturen viel niedriger als beim Gehen. Es zeigte sich, dass eine Gelenkpfanne aus Keramik statt aus Kunststoff (lila Kurve) wesentlich geringere Temperaturen im Implantat erzeugt. Daher ist anzunehmen, dass ein Prothesenkopf aus Metall statt Keramik, gepaart mit einer Pfanne aus Kunststoff, bei einigen Patienten noch höhere Temperaturen als 41 Grad Celsius bewirken könnte. Ob dies der Fall ist und ob die beobachteten Temperaturen in Ausnahmefällen eventuell zu einer Gefährdung der Implantate führen können, ist das Ziel weiterer eigener Forschungsarbeiten.
