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Löer, Ingo (2002): Tibiales Malalignment bei Mobile-Bearing-Prothesen: Eine Simulatorstudie. Dissertation, LMU München: Faculty of Medicine
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Abstract

Total knee replacement requires exact implantation in order to avoid long term failure. Longitudinal in vivo studies of malaligned prostheses are problematic for ethical reasons. To assess the critical angle of tibial (varus / valgus) malalignment of knee prostheses in vitro, a simulator investigation was performed. Mobile-bearing- prostheses were implanted in a simulator with 1°-30 valgus- and varus malalignment as well as in neutral position. More extreme malalignment caused unexceptional forces in the simulator. After each 500,000 cycles (ca. 0,5 years of walking) the replicas of the polyethylene inlay were examined and the extent of the tribocontact-areas was measured until 1,500,000 total cycles. Finally the original polyethylene was examined with a scanning electron microscope. The polyethylene showed only abrasive wear without any fatigue effect. Tribocontact-areas of 900-1,500mm2 were observed under malalignment of mobile-bearing prostheses according to the producer’s reference. With 1-30 of malalignment tribocontact-areas were located at untypical polyethylene-zones, but still showing abrasive wear only. Increasing malalignment due to a lift off of the femoral part of the prostheses with a strong torsional strength of the polyethylene made an extremer simulation impossible. 3 degree of Malalignment could be suggested as maximum in-vivo tolerability, perfect alignment with ideal implantation should be aimed at. Soft tissue is less considered within this simulator-study.

Abstract

Zusammenfassung Insbesondere eine korrekte knöcherne tibiale Achsausrichtung kann als Grundvoraussetzung für das Langzeitüberleben von Knieendoprothesen angesehen werden. Da prospektive in-vivo Untersuchungen von Fehlimplantationen aus ethischen Gründen nicht in Frage kommen, wurde die Studie an einem Kniegelenksimulator durchgeführt. Untersucht wurde eine Mobile-Bearing-Typ Knieendoprothese hinsichtlich eines tibialen Malalignments im Sinne einer Varus- bzw. Valgusfehlstellung von jeweils 1°-3°, sowie einer Referenzuntersuchung in idealer Positionierung. Ausgeprägtere tibiale Verkippungen führten bei Vorversuchen zu inakzeptablen Belastungen für den Simulator. Je Versuchseinheit wurden 1,5 Millionen Bewegungszyklen eingeleitet, wobei ein Zyklus einem Doppelschritt entspricht. Diese Belastung ist einer durchschnittlichen in-vivo Verweildauer von 1,5 Jahren gleichzusetzen. Zur Quantifizierung der Belastungszonen (Tribokontaktzonen) wurden alle 500.000 Zyklen Replikas der Polyethylenlageroberflächen angefertigt. Diese dreidimensionalen Oberflächen wurden auf eine lineare Oberfläche kopiert und anschließend hinsichtlich ihrer Symmetrie und Flächenausdehnung analysiert. Rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen der Originalpolyethylenlager zeigten nach Abschluss der Simulatorbelastung eine mäßige Verschleißsituation ohne Materialermüdung. Die Tribokontaktzonen hatten Flächenausdehnungen in der vom Hersteller angegebenen Dimension von 900-1500mm2 . Unter Fehlimplantation verlagern sich die Tribokontaktzonen in Areale des Polyethylens, die bei idealer Ausrichtung nicht zur Belastungszone gehörten. Bei diesem Self-Alignment kam es ebenfalls nur zu abrasivem Verschleiß. Als sicherer Toleranzbereich können Winkel von 1°-3° bezeichnet werden, wobei es bei höhergradigen Fehlstellungen zu einem lift-off der Femurkondylen mit deutlicher Torquierung des Polyethylens kam, was den Dauerbetrieb des Simulators unmöglich machte. Diese 3°-Fehlstellungen können bedingt als maximal tolerable in-vivo-Fehlstellung interpretiert werden, eine ideale Implantation mit gutem knöchernem Alignment sollte angestrebt werden. Das Weichteilgewebe wird hier jedoch nur mäßig berücksichtigt.