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Hüftprothesen sicher verschraubt

05.01.2009
Schrauben verankern künstliche Hüftgelenke fest am geschädigten Knochen des Patienten. Doch an welchen Stellen des Knochens finden die Schrauben sicheren Halt? Ein Simulationsmodell soll die Festigkeit der Knochen aus Computertomographie-Aufnahmen berechnen.

Hüftprothesen halten nicht ewig: Lockert sich das Implantat, müssen die Ärzte die Prothesen erneuern. Bei den meisten Patienten ist diese zweite Operation nach etwa 15 Jahren nötig. Durch die erste Prothese können die Beckenknochen an einigen Stellen abgenutzt sein.


Der Shaker bringt den eingespannten Knochen (links) zum Schwingen. Fraunhofer IWU

Zudem ändert sich mit zunehmendem Alter die Dichte der Knochen und damit ihre Festigkeit. Mediziner stehen daher vor der Frage, wo sie die Schrauben am besten setzen, die das künstliche Gelenk mit den Knochen verbinden. Und wie muss die Hüftprothese geformt sein, um sich optimal an die umliegenden Knochen anzupassen? Bisher untersuchen Ärzte die Patienten mit Computertomographie und ermitteln aus den Aufnahmen die grobe Dichte der Knochen. Über verschiedene Annahmen errechnen die Mediziner, wie fest die Knochen an welchen Stellen sind. Das Problem: Als Grundlage für die Simulationen gibt es zwar verschiedene Theorien, die Ergebnisse weichen allerdings erheblich von der Realität ab. Die geschädigten Knochen sind meist anders beschaffen, als die Simulation glauben macht.

Dies wollen Forscher des Fraunhofer-Instituts für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU in Dresden zusammen mit Kollegen vom Labor für Biomechanik der Universität Leipzig nun ändern: Sie entwickeln ein Modell, mit dem die Ärzte aus den computertomographischen Aufnahmen die Dichte und Elastizität des Knochens zuverlässig und realistisch berechnen können. Dazu übertragen die Forscher Methoden, mit denen üblicherweise Bauteile geprüft werden, auf menschliche Hüftknochen: Sie bringen den Knochen zum Schwingen. Bei Patienten ist diese Art der Untersuchung nicht möglich: Der Knochen muss in eine Apparatur eingespannt werden. »Über die Art der Schwingungen können wir auf lokale Eigenschaften des Knochens schließen – etwa die Dichte und Elastizität«, erklärt Martin Quickert, Gruppenleiter am IWU. Diese Ergebnisse vergleichen die Forscher mit computertomographischen Aufnahmen des Knochens und beschreiben die Zusammenhänge über ein mathematisches Modell.

Dieses soll künftig ermöglichen, die Knochenfestigkeit direkt aus den computertomographischen Aufnahmen zu ermitteln. Erste Untersuchungen an präparierten und so haltbar gemachten Knochen haben die Wissenschaftler bereits gemacht. In den kommenden Monaten versetzen sie auch unpräparierte, natürlich belassene Knochen in Schwingungen. In etwa zwei Jahren, hoffen die Forscher, erhalten die Ärzte aus Computertomographie-Aufnahmen genauere und realistischere Daten, wie die Beckenknochen des Patienten beschaffen sind. Die Prothesen können dann optimal verankert werden – und finden länger sicheren Halt.

Martin Quickert | Fraunhofer Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.iwu.fraunhofer.de

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