Eine Hüftoperation - wiewohl operativ Routine - ist eine heikle Sache. Für den Operateur gilt es abzuwägen, welches Implantat für den Patienten am besten geeignet ist, keine Abstossreaktionen provoziert und ausreichend lange hält. Von der Materialseite stehen ihm künstliche Hüftgelenke aus Keramik, Kunststoff oder Metall (<link http: www.tuwien.ac.at forschung nachrichten>01) zur Verfügung. Neben den Erkenntnissen, die durch die Untersuchung von Explantaten gewonnen werden, sind Dauertest das wichtigste Kriterium.

Neue Norm

Die Gelenke werden im Simulator einer mechanisch-dynamischen Prüfung unterzogen. Ziel ist es, Kinematik und Kinetik der Gehbewegung des Menschen zu simulieren. Konventionelle Simulatoren kamen der Natur dabei mehr oder weniger nahe. Die neue Norm ISO/FDIS 14242-1 fordert eine exaktere Simulation in drei Bewegungsachsen. Um den Anforderungen gerecht zu werden, wurde an der TU der Bau eines neuen Simulators in Angriff genommen.

Extreme Bedingungen

Der Test von künstlichen Hüftgelenken ist nicht trivial. Neben dem Bewegungsablauf müssen natürlich auch die "Umweltbedingungen" rekonstruiert werden: Das heißt Körpertemperatur, Synovia (<link http: www.tuwien.ac.at forschung nachrichten>02) und Drücke, die die Beanspruchungen zufolge des Körpergewichtes um ein Mehrfaches übersteigen.

Durchdacht bis ins Detail

Die ISO-Norm schreibt vor, dass Pfanne und Kugel des künstlichen Hüftgelenks 5 Millionen (!) simulierten Schritten unterzogen werden müssen. Bei einer Tagesleistung von 86.000 "Schritten" dauert das zwei Monate. Bei dieser langen Betriebsdauer ist ein perfektes Handling ausschlaggebend. Durch die einfache Probenpräparation - die "Patrone", die das Gelenksimplantat fasst, kann während des Betriebs außerhalb des Simulators vorbereitet werden - und die Fernwartbarkeit ist dies beim neuen Simulator gewährleistet. Auch die Mechanik ist vom Feinsten: die Motoren sind für 500 Millionen Bewegungszyklen ausgelegt.

Fernwart- und ausbaubar durch moderne Netztechnologie

Durch den Einsatz von moderner Netztechnologie kann sich der Operator Störungen bequem per SMS am Handy anzeigen lassen und den Simulator via Internet auch fernbedienen. Der PC kann bis zu 12 Teststationen parallel steuern. Die Schrittsimulation entspricht nicht nur der ISO-Forderung, sondern kann frei programmiert werden. Mit entsprechenden Adaptionen hinsichtlich Befestigung der Prüfmuster und Bewegungs- bzw. Belastungsabläufen lassen sich im Simulator sogar Bandscheiben-Implantate testen.

Ergebnisse

Nach Beendigung des Prüflaufes werden die Gleitpaarungen der Norm entsprechend vermessen und der Gesamtabrieb mittels Koordinatenmessmaschine bestimmt. Für die 3-dimensionale Darstellung der Verschleißzonen werden "Abriebkarten" erstellt. Diese Methode der Darstellung, ähnlich wie sie aus Atlanten bekannt ist, wurde im Rahmen von zwei Diplomarbeiten am Institut für Photogrammetrie und Fernerkundung generiert. Die Dokumentation des Abriebverhaltens hilft dem Operateur bei der Auswahl eines Gleitpaarungstyps für den Anwendungsfall beim Patienten bzw. lassen sich aus der Verschleißdokumentation Schlüsse auf die biologische Akzeptanz neuer Materialien ziehen.

Gelebte Interdisziplinarität

Der Erfolg des Projektes ist nicht zuletzt auf die gelungene Zusammenführung unterschiedlichster Kompetenzen zurückzuführen. So waren neben drei Instituten der TU Wien (<link http: www.ict.tuwien.ac.at _blank>Computertechnik, <link http: www.ifwt.tuwien.ac.at _blank>Mikro- und Feinwerktechnik sowie <link http: www.ipf.tuwien.ac.at _blank>Photogrammetrie und Fernerkundung) auch das <link http: www.univie.ac.at phys-chemie _blank>Institut für Physikalische Chemie (<link>Prof. Nauer) der Universität Wien, Das <link http: biomechanik.web.med.uni-muenchen.de _blank>Labor für Biomechanik und Experimentelle Orthopädie der Universität München (<link>Prof. Plitz) und das <link http: www.eng.ox.ac.uk ooec main.html _blank>Oxford Orthopaedic Engineering Centre (<link http: www.eng.ox.ac.uk ooec people roland_muksch.html _blank>Roland Müksch) beteiligt. Die notwendige Koordinationsleistung erbrachte die <link http: www.bmf.at _blank>Biomechanische Forschungs-GmbH (BMF). Damit spannt sich der fachliche Bogen von Maschinenbau über Medizin, Elektrotechnik und Physik bis hin zu den Geowissenschaften! Gefördert wurde das Projekt vom <link http: www.wwff.gv.at _blank>Wiener Wirtschaftsförderungsfonds (WWFF).

Zukunftspläne

Animiert durch den Erfolg haben die Forscher noch weitreichendere Pläne. Vor allem soll eine Online-Verschleissmessung realisiert werden.

Artikel (PDF)

• Judmann, Reinisch, Pauschitz, Bauer: <link http: www.tuwien.ac.at forschung nachrichten hip a-82-07-739-judmann.pdf>Wear Testing of Total Hip Joints According to ISO and Development of a New Hip Joint Simulator According to ISO
• Reinisch, Judmann, Plitz, Schörg: <link http: www.tuwien.ac.at forschung nachrichten hip e-sim_biomedizinische_technik.pdf>Ein neuer, der ISO/FDIS 14242-1 entsprechender Hüftsimulator: E-SIM

Fussnoten

• FN01: Kunststoff = UHMWPE = ultra-high molecular weight polyethylene; Metall = CoCrMo = cobalt-chromium-molybdenum; Keramik = Aluminium- oder Zirkonoxid. <link http: www.tuwien.ac.at forschung nachrichten>Zurück
• FN02: Die Gelenksflüssigkeit wird durch eine Mischung von 30% Kälberserum und 70% destilliertem Wasser nachempfunden.