CA-Technologien für Individualimplantate. Eine neue Methode
der Markraummodellierung mit einem Röntgentunnel-Detektor
in Kohlenstoffaser-Verbundbauweise und
CAD-HOST-Generierung.
E. Wintermantel
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Institut für Konstruktion und Bauweisen der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich :
e r f a s s b a r s i n d , G e s e t z m a s s i g k e i t e n i n J a h r z e h n t e n k l i n i s c h e r E I N L E I T U N G D i e V e r t r ä g l i c h k e i t o d e r A b s t o s s u n g e i n e s l a s t t r a g e n d e n I m p l a n t a t s i m E m p f ä n g e r g e w e b e u n t e r l i e g t i n d i v i d u e l l e n , p a t i e n t e n s p e z i f i s c h e n P r o z e s s e n , d e r e n V e r l ä u f e e i n e r s e i t s v o n F a k t o r e n a b h ä n g e n , d i e p r ä o p e r a t i v n i c h t a n d e r e r s e i t s j e d o c h g e h o r c h e n , d i e p o s t o p e r a t i v e r V e r l a u f s k o n t r o l l e n e r k a n n t w o r d e n s i n d . A m B e i s p i e l d e r F e m u r m a r k r a u m m o d e l l i e r u n g h ö c h s t e r r e g i o n a l e r G e n a u i g k e i t m i t e i n e m n e u e n t w i c k e l t e n R ö n t g e n T u n n e l d e t e k t o r i n K o h l e n s t o f f a s e r v e r b u n d b a u w e i s e u n d d e r G e o m e t r i e -r e k o n s t -r u k t i o n i n e i n e m CAD-G-ros.ssystem ( C A D A M a u f I B M 3090) s o l l e i n e n e u e M ö g l i c h k e i t g e z e i g t w e r d e n , d u r c h A n w e n d u n g d e r C A - T e c h n o l o g i e n z u l a s t t r a g e n d e n I m p l a n t a t e n h ö h e r e r p a t i e n t e n s p e z i f i s c h e r I n d i v i d u a l i t ä t u n d d a m i t h ö h e r e r K o m p a t i b i l i t ä t z u g e l a n g e n . Es e n t s p r i c h t d e m S t a n d c h i r u r g i s c h e r H u f t g e l e n k s e n d o p r o t h e t i k , d u r c h s p a n a b h e b e n d e S p o n g i o s a u n d M a r k r a u m -b e a r -b e i t u n g e i n e n m a k r o s k o p i s c h e n F o r m s c h l u s s f ü r z e m e n t f r e i i m p l a n t i e r t e S c h ä f t e u n d d u r c h Z e m e n t a p p l i k a t i o n e i n e n z u s ä t z l i c h e n i m m i k r o s k o p i s c h e n B e r e i c h n a c h w e i s b a r e n F o r m s c h l u s s v o r z u b e r e i t e n . A u s g e h e n d v o n g r u n d l e g e n d e n E r k e n n t n i s s e n d e r i n n a t i v e n u n d m i t e i n e m I m p l a n t a t v e r s e h e n e n F e m u r a h e r r s c h e n d e n S p a n n u n g s v e r h ä l t n i s s e n ( / ! / , /5/, / 6 / ) d u r c h A n w e n d u n g d e r F i n i t e n E l e m e n t -M e t h o d e u n d z a h l r e i c h e n a n a l y t i s c h e n u n d k l i n i s c h e n F o l g e s t u d i e n ( / 7 / , /3/, / 4 / , / 2 / ) m ü s s e n b e r e i t s i n d e r E n t w u r f s p h a s e e i n e s a u f p e r m a n e n t e n V e r b l e i b i m K ö r p e r a u s g e l e g t e n l a s t t r a g e n d e n I m p l a n t a t s d i e i n F i g . 1 d a r g e s t e l l t e n K o n s t r u k t i o n s -p a r a m e t e r u n d A n f o r d e r u n g e n a n D e s i g n u n d s t r u k t u r e l l e n A u f b a u d e s W e r k s t o f f s e r f ü l l t w e r d e n . . D a s c h i r u r g i s c h e Z i e l . e i n e r P r o t h e s e n a d a p t a t i o n a n p h y s i o l o g i s c h - g e g e b e n e , n i c h t a n a b r a s i v g e s c h a f f e n e M a r k r a u m g e o m e t r i e n s o l l t e , b e g r ü n d e t · i n der g r o s s e n . M e n g e an I n d i v i d u a l d a t e n d u r c h A n w e n d u n g c o m p u t e r a s s i s t i e r t e r M a r k r a u m m o d e l l i e r u n g , B e r e c h n u n g e i n e s ' i n d i v i d u e l l s t r u k t u r i e r t e n a n i s o t r o p e n W e r k s t o f f s und der P r o t h e s e n f e r t i g u n g . d u r c h C A M e r m ö g l i c h t w e r d e n . Z u r E r f a s s u n g -u n d M o d e l l i e r -u n g i n d i v i d -u e l l e r M a r k r ä -u m e g r o s s e r R ö h r e n k n o c h e n w u r d e n a c h f o l g e n d e ' M e t h o d e e n t w i c k e l t . FORMSCHLUESSIGES DESIGN KRAFTEINLEITUNG TOPOGRAFISCH · UND QUANTITATIV PHYSIOLOGISCH AEOUIVALENT ANISOTROPER STRUKTURWERKSTOFF Fig. l ·-···· -\ Konstruktions-anforderungen an Design und Werkstoff M A T E R I A L U N D M E T H O D E N I n S a n d w i c h K o h l e n s t o f f a s e r V e r b u n d -b a u w e i s e ' w u r d e e i n t u n n e l f ö r m i g e r R ö n t g e n - , d e t e k t o r k o n s t r u i e r t u n d g e f e r t i g t , m i t ' dem e i n e F e m u r g e o m e t r i e d u r c h 5 R ö n t g e n a u f n a h m e n , die . um 36 G r a d g e g e n e i n a n d e r u m d i e L ä n g s a c h s e " g e d r e h t - s i n d , d o k u m e n t i e r t w i r d . . U m . d i e m i t d i e s e m G e r ä t e r z i e l b a r e , A b b i I d u n g s g e n a u i g k e i t z u e r m i t t e l n , w u r d e n an 10 H o l z m o d e l l e n K o n k a v i t ä t e n , K o n v e x i t ä t e n , ebene F l ä c h e n u n d z y l i n d r i s c h e . F l ä c h e n , a n g e b r a c h t , / d i e . M o d e l l e i m T u n n e l d e t e k t o r g e r ö n t g t , d i e K o n t u r l i n i e n i n CADAM-Host a b d i g i t a l i s i e r t u n d . j e e i n ~ 3 0 M o d e l l e r s t e l l t . N a c h -V e r m e s s u n g , der O r i g i n a l m o d e l 1e;,in ., e i n e r "
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L E I T Z - P r ä z i s i o n s m e s s m a s c h i n e w u r d e n a u s ' d i e s e n D a t e n . C A D A M - R e f e r e n z m o d e l l e e r z e u g t u n d m i t d e n * d u r c h ; R ö n t g e n . e r h a l t e n e n ^ v e r g l i c h e n . D i e s e r V e r g T l e i c h b e i n h a l t e t e d e n o p t i s c h e n · · . V e r g l e i c h g e o m e t r i s c h ä h n l i c h e r I n t e r e s s e n s g e b i e t e i m 3 D - R a u m a m B i l d s c h i r m a l s D r a h t m o d e l l u n d a l s S h a d e d I m a g e s o w i e r e c h n e r i s c h d u r c h e i g e n e F o r t r a n - P r o g r a m m e z u r A u s s a g e ü b e r d e n G r a d d e r K o n g r u e n z z w i s c h e n O r i g i n a l - u n d R e f e r e n z m o d e l l. E R G E B N I S S E : 1. M i t g e r i n g s t e m F e h l e r ( k l e i n e r 0 . 5 m m ) w u r d e n a n n ä h e r n d z y l i n d r i s c h e F l ä c h e n m o d e l l i e r t , s o f e r n d i e A c h s e z e n t r a l d u r c h d i e S c h n i t t e b e n e v e r l ä u f t . V o n d e n f e s t g e l e g t e n I n t e r e s s e n s g e b i e t e n i s t d i e s e G e o m e t r i e d e m d i s t a l e n M a r k r a u m z u r Z e n t r i e r u n g oder f o m s c h l ü s s i g e n V e r a n k e r u n g e i n e r H u f t g e l e n k s - E n d o p r o t h e s e am ä h n l i c h s t e n . 2 . B e i e l l i p t i s c h e r A b w e i c h u n g v o m K r e i s q u e r s c h n i t t i s t d e r A b b i l d u n g s f e h l e r k l e i n e r a l s l mm, f a l l s s i c h g r o s s e r z u k l e i n e m H a l b m e s s e r k l e i n e r 2:1 v e r h a l t e n . 3. E b e n e . F l ä c h e n w e r d e n zu g e k r ü m m t e n F l ä c h e n ( k o n v e x ) o p t i m i e r t m i t e i n e m M a x i m a l f e h l e r von 2 mm. 4 . K o n k a v i t ä t e n w e r d e n m i t e i n e m M i n d e s t f e h l e r v o n 2 m m e r f a s s t , l i e g e n s i e i n e i n e r e b e n e n F l ä c h e , w e r d e n s i e n i c h t i e r f a s s t . 5 . D e r d u r c h d a s m a n u e l l e A b d i g i t a l i s i e r e n a u f t r e t e n d e F e h l e r i s t k l e i n e r 0 . 2 m m . D I S K U S S I O N D i e o p t i s c h e u n d s t a t i s t i s c h e A u s w e r t u n g v o n u n t e r s c h i e d l i c h k o n v e x e n u n d k o n k a v e n l ä n g s a c h s i a l e n M o d e l l g e o m e t r i e n q u a l i f i z i e r e n .diese M e t h o d e f ü r d i e M o d e l l i e r u n g d e s d i s t a l e n F e m u r m a r k r a u m s i n e i n e m G e n a u i g k e i t s b e r e i c h , d e r h ö h e r ist, a l s d i e c h i r u r g i s c h e O p e r a t i o n s g e n a u i g k e i t b e i I m p l a n t a t i o n e i n e s P r o t h e s e n s c h a f t e s . D a f ü r w u r d e l m m a l s h ö c h s t z u l ä s s i g e r F e h l e r a n g e n o m m e n . F ü r d i e M o d e l l i e r u n g d e s p r o x i m a l e n M a r k r a u m e s m u s s e i n e . N o r m g e o m e t r i e a n g e n o m m e n . w e r d e n , die n a c h p a t i e n t e n s p e z i f i s c h e n P a r a m e t e r n i m CAD-M o d e l l v a r i i e r t u n d a d a p t i e r t w e r d e n k a n n . D a m i t . i s t e s m ö g l i c h , e i n e m i t d e m d i s t a l e n M a r k r a u m v o l l s t ä n d i g f o r m s c h l ü s s i g e I n d i v i d u a l p r o t h e s e z u m o d e l l i e r e n u n d d u r c h E r s t e l l u n g v o n F l ä c h e n m o d e l l e n u n d e i n e s F r ä s p r o g r a m m s d i e s e a u c h z u f e r t i g e n . D i e M e t h o d e e r f o r d e r t l e d i g l i c h e i n e k o n v e n t i o n e l l e R ö n t g e n a u s s t a t t u n g d e s K r a n k e n h a u s e s i n V e r b i n d u n g m i t d e m r ö n t g e n t r a n s p a r e n t e n D e t e k t o r . I n e i n e r k ü n f t i g e n U n t e r s u c h u n g w i r d d a s A u s m a s s d e r a u f t r e t e n d e n S t r a h l e n b e l a s t u n g z u k l ä r e n s e i n , i n s b e s o n d e r e v e r g l e i c h e n d m i t C T -U n t e r s u c h u n g e n bei e i n e r g e f o r d e r t e n A b b i l d u n g s g e n a u i g k e i t f ü r b e i d e M e t h o d e n b e s s e r a l s l m m . L I T E R A T U R : 1. F l e m m i n g , M . , e t a l . , " K r a f t f l u s s b e r e c h n u n g e n i n K n o c h e n -s t r u k t u r e n u n d P r o t h e -s e n . F o r s c h u n g s b e r i c h t 4 : B u n d e s m i n i s t e r i u m f ü r B i l d u n g u n d W i s s e n s c h a f t , 1972. 2 . G e b a u e r , D . , Z u r B i o m e c h a n i k k ü n s t l i c h e r H ü f t g e l e n k e . F o r t s c h r i t t b e r i c h t e d e r V D I - Z e i t s c h r i f t e n . V D O - V e r l a g , D ü s s e l d o r f , 1984. 3. H a m p t o n , S. 0 . , A n d r i a c c h i , T. P . , T h r e e D i m e n s i o n a l Stress J. 0., G a l a n t e , A n a l y s i s of the F e m o r a l Stern of a T o t a l H i p P r o s t h e s i s . J . B i o m e c h . , 1 3 (1980), 443-448. 4 . M o r s c h e r , E . , N i n e Y e a r s1 E x p e r i e n c e w i t h I s o e l a s t i c H i p E n d o p r o s t h e s e s Made o f P l a s t i c M a t e r i a l . I n : T h e C e m e n t l e s s F i x a t i o n o f H i p E n d o p r o s t h e s e s , E.. M o r s c h e r e d . , S p r i n g e r , 1984. 5 . R ö h r l e , H . , S c h ö l t e n , R . , S o l l b a c h , W . , K r a f t f l u s s b e r e c h n u n g e n i n K n o c h e n s t r u k t u r e n u n d P r o t h e s e n , P h a s e I I . B M F T - F o r s c h u n g s b e r i c h t T 79-82, 1979. 5. R ö h r l e , H . e t a l . , K r a f t f l u s s -b e r e c h n u n g e n i n K n o c h e n s t r u k t u r e n u n d P r o t h e s e n , P h a s e I I I , BMFT-F o r s c h u n g s b e r i c h t T 80-174, 1980. 7 . S v e n s o n , N . L . , V a l l i a p a n , S., M c M a h o n , R . , F i n i t e E l e m e n t A n a l y s i s o f a S i m u l a t e d T o t a l H i p R e p l a c e m e n t . E n g i n e e r i n g i n M e d i c i n e , 1980, 143 - 146.
