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Optimierung der Schaftkomponente von Kurzschaftendoprothesen mittels Finite-Elemente-Analyse

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Kleinschrodt, Claudia ; Simank, Hans-Georg ; Alber-Laukant, Bettina ; Rieg, Frank:
Optimierung der Schaftkomponente von Kurzschaftendoprothesen mittels Finite-Elemente-Analyse.
In: Stelzer, Ralph (ed.): Entwerfen Entwickeln Erleben 2016 : Beiträge zur virtuellen Produktentwicklung und Konstruktionstechnik. - Dresden : TUDpress , 2016 . - pp. 303-314
ISBN 978-3-95908-062-0

Abstract in another language

Die Implantation eines künstlichen Hüftgelenks zählt in Deutschland zu den zehn häu-figsten durchgeführten Operationen 1. Bei diesen Eingriffen kommt eine Vielzahl von verschiedenen Prothesenmodellen zum Einsatz 2. Aktuell geht der Trend in Richtung zementfreie Verankerung, Verkleinerung der Implantate und den Erhalt von möglichst viel Knochensubstanz 3. So wird in den letzten Jahren immer häufiger zu Kurzschaftendoprothesen gegriffen 3. Sie stellen ein knochensparendes System dar und erlauben gleichzeitig verschiedene Gleitpaarungen 3. Allerdings liegen für die meisten Kurzschaftendoprothesentypen noch keine Langzeittestergebnisse vor 4, so dass das zukünftige Verhalten dieser Prothesen nicht vorhergesagt werden kann. Speziell bei Kurzschaftendoprothesen ist der Einfluss der verkürzten Schaftlänge auf das Einwachsverhalten und die Lebens-dauer des Implantats noch nicht ausreichend geklärt. Am Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD der Universität Bayreuth finden deshalb Untersuchungen zur computergestützten Analyse von Kurzschaftendoprothesen statt. Ziel hierbei ist es, durch eine Variation der Schaftlänge eine Prothesenform mit optimalen Spannungsverläufen und einer verbesserten Krafteinleitung in den Knochen zu ermitteln. Basis für diese Untersuchung stellt ein von einem Hersteller zur Verfügung gestelltes Probenexemplar einer handelsüblichen Kurzschaftendoprothese dar. Auf einem selbst entwickelten Prüfstand können verschiedene Belastungen variabel aufgebracht werden. Die entstehenden Verschiebungen werden mittels Bildkorrelation erfasst und visualisiert. Durch die Digitalisierung der realen Prothese mit Hilfe des Streifenprojektionsverfahrens wird ein parametrisches 3D-CAD-Modell erstellt. Dieses Modell wird nun in einer Finiten Elemente Analyse (FEA) untersucht und über die Versuche am realen Bauteil validiert. Betrachtet werden die Spannungen und Verschiebungen in der Prothese selbst sowie im der umliegenden Knochenstruktur. Die Gestaltung des Schafts beeinflusst die Verankerung der Prothese im Femur sowie dessen Belastung und prägt damit das Einwachsverhalten und die Lebensdauer des Implantats. Durch die Variation der Schaftlänge im Sinne einer Design-of-Experiments(DoE)-Studie wird der Einfluss dieses Parameters auf das Abstützverhalten der Prothese und die damit verbundene Spannungsverteilung im Knochen ermittelt. Die gewonnenen Erkenntnisse ermöglichen eine Optimierung der Schaftkomponente unter Berücksichtigung des Gesamtsystems bestehend aus dem eingesetzten Implantat und dem umliegenden Knochen. Untersuchungen wie diese tragen zum Verständnis des Verhaltens des Implantats im Knochen bei und ermöglichen so Prothesenherstellern, optimal an den Knochen ange-passte Implantate zu entwickeln und so das Risiko von Revisionsoperationen zu minimie-ren.

Further data

Item Type: Article in a book
Refereed: Yes
Keywords: Optimierung; FEA; Medizintechnik
Institutions of the University: Faculties > Faculty of Engineering Science > Chair Engineering Design and CAD
Faculties > Faculty of Engineering Science > Chair Engineering Design and CAD > Chair Engineering Design and CAD - Univ.-Prof. Dr.-Ing. Frank Rieg
Faculties
Faculties > Faculty of Engineering Science
Result of work at the UBT: Yes
DDC Subjects: 600 Technology, medicine, applied sciences > 610 Medicine and health
600 Technology, medicine, applied sciences > 620 Engineering
Date Deposited: 21 Oct 2016 09:57
Last Modified: 21 Oct 2016 09:57
URI: https://eref.uni-bayreuth.de/id/eprint/35004