Ärzte Zeitung online, 06.01.2009

Schwingende Knochen: Neue Simulation für besseren Halt von Hüftprothesen

CHEMNITZ (eb). In Zukunft sollen Ärzte genau festlegen können, wo die Schrauben für ein künstliches Hüftgelenke im Knochen des Patienten am besten verankert werden. Mithilfe der Daten aus einem besonderen Simulationsmodell soll die Knochenfestigkeit aus Computertomografie-Aufnahmen viel genauer berechnet werden als bislang. Dazu nutzen die Forscher ein Verfahren aus der Bauwirtschaft.

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

Foto: Fraunhofer IWU

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. Zudem ändert sich mit zunehmendem Alter die Dichte der Knochen und damit ihre Festigkeit.

Chirurgen und Orthopäden 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 Computertomografie (CT) und ermitteln aus den Aufnahmen die ungefähre Dichte der Knochen. Über verschiedene Annahmen errechnen die Ärzte auch, wie fest die Knochen an welchen Stellen sind. Das Problem: Als Grundlage für solche Simulationen gibt es zwar verschiedene Rechenmodelle. Die Ergebnisse können allerdings erheblich von der Realität abweichen. Denn die geschädigten Knochen sind meist anders beschaffen, als die Simulation glauben machen.

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 CT-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 Knochen zum Schwingen. Bei Patienten direkt ist diese Art der Untersuchung nicht möglich: Der Knochen muss in eine Apparatur eingespannt werden. Aber es können bessere Berechnungsgrundlagen geschaffen werden: "Über die Art der Schwingungen können wir auf lokale Eigenschaften des Knochens schließen - etwa die Dichte und Elastizität", erklärt Dipl. Ing. Martin Quickert, Gruppenleiter am IWU, in einer Mitteilung des Instituts.

Diese Ergebnisse vergleichen die Forscher mit CT-Aufnahmen des Knochens und stellen Zusammenhänge über ein mathematisches Modell her. Dieses soll künftig ermöglichen, die Knochenfestigkeit direkt aus den CT-Aufnahmen zu berechnen.

Erste Untersuchungen an präparierten 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 CT-Aufnahmen genauere und realistischere Daten, wie die Beckenknochen des Patienten beschaffen sind. Die Prothesen können dann optimal verankert werden - und finden länger sicheren Halt.

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