Neue Studie fördert das genaue Verständnis der an Hüft-Endoprothesen gestellten Anforderungen

ESI Group, führender Anbieter von Virtual Prototyping Softwarelösungen und Dienstleitungen für die Fertigungsindustrie und seit vielen Jahren Partner bei zahlreichen Forschungs- und Entwicklungsprojekten im biomedizinischen Bereich, gibt die Ergebnisse von kürzlich in Frankreich durchgeführten technischen Studien bekannt. Die in Zusammenarbeit mit einem Hersteller von Hüft-Endoprothesen durchgeführten Untersuchungen haben zu einem besseren Verständnis hinsichtlich der Probleme bei der Herstellung, Implantierung und des mechanischen In-vivo-Verhaltens solcher Prothesen geführt und zeigen deutlich das Potenzial für numerische Simulationen im medizinischen Bereich auf.

Die Implantation von Hüft-Endoprothesen ist eine der fünf am häufigsten durchgeführten Operationen in der heutigen orthopädischen Chirurgie. Laut Statistiken der French Hospital Information Technology Agency (ATIH)1 nehmen solche Eingriffe stetig zu, mit einer Tendenz zu immer jüngeren Patienten (insbesondere Athleten) und höheren Anforderungen an die Haltbarkeit der Prothesen infolge einer steigenden Lebenserwartung. Diese Entwicklung stellt sowohl Ärzte als auch Hersteller von Prothesen vor neue Herausforderungen.

Hersteller müssen neue Materialien wie Keramik und Metalllegierungen evaluieren. Auch müssen beim Design der Prothese verschiedene Aspekte hinsichtlich Bruch, Verschleiß und Geräuschentwicklung berücksichtigt werden. Die Ärzte wiederum versuchen, die möglichen Konsequenzen einer Mikro-Separation zwischen dem Hüftkopf der Prothese und dem Knochenlager, in das sie eingesetzt wird, zu minimieren. Diese Trennung kann Mikro-Auswirkungen während des täglichen Gebrauchs verursachen und zu vorzeitigem Verschleiß führen.

Über nahezu ein Jahr haben Teams von ESI in Frankreich eine Studie durchgeführt, um Ärzte und Hersteller dabei zu unterstützen, die Phänomene, die zu prothetischen Funktionsstörungen führen, besser zu verstehen. In einer ersten Studie wurden die Kinematik und die verschiedenen an einer Hüftprothese auftretenden Spannungen genau simuliert, um so die Physik der bei Unfällen auftretenden Belastungen besser zu verstehen. Die Teams haben dazu in Visual-Environment – ESIs integrierter CAE-Plattform – auf Basis der vom Hersteller gelieferten Geometrie und Materialbeschreibungen Berechnungsmodelle generiert. Anschließend nutzten sie ESIs Virtual Performance Solution, um einen Aufprall, äquivalent 9 kN in 9ms, zu simulieren. Eine solche Belastung ist ein typisches Beispiel für einen Aufprall, wie ihn ein Patient bei einem schweren Treppensturz erfahren kann. Dank der Studie unter Anwendung der ESI-Softwarelösungen konnten Ärzte und Hersteller sehr genau die Kinematik und Kontaktbereiche nach einer Dekoaptation (Ablösung von Hüftkopf und -pfanne) der Prothese beschreiben.

Eine zweite Studie wurde im Auftrag eines Prothesenherstellers, Science et Médecine (SEM) mit Sitz in Crétail nahe Paris, Frankreich, durchgeführt. Ziel war es, drei verschiedene Ausführungen modularer Prothesen aus Vanadium-Legierungen zu vergleichen und herauszufinden, welche bei Unfällen am widerstandsfähigsten ist. Die genaue Simulation des Implantierungsprozesses der Prothese hat SEM nachhaltig geholfen, deren zukünftige Positionierung festzulegen sowie die zu erwartenden strukturellen Schäden bei den vorgeschriebenen Tests zu bestimmen.

„Die numerische Simulation ist bei SEM eine gängige Methode, um zuverlässige Konstruktionen zu erhalten und den sicheren Einsatz unserer medizinischen Geräte zu gewährleisten. Wir sind deshalb sehr sensibel in Bezug auf Softwareverbesserungen, insbesondere wenn sie die dynamische Simulation betreffen. Die in Partnerschaft mit ESI durchgeführte Studie hat unser Verständnis des mechanischen Verhaltens für jedes getestete Design unserer Prothesen verbessert. Die neusten Entwicklungen bei den Simulationslösungen helfen uns, die Zuverlässigkeit von medizinischen Geräten zu erhöhen, einschließlich derer, die einen Zusammenbau erfordern“, erklärt Mr. Bréard, Research and Development Director, Science et Médecine.

Für Fouad El-Khaldi, Industrial Strategy and Innovation Director bei ESI Group, ist die durchgeführte Studie im Gesundheitsbereich Teil der Diversifikationsstrategie des Unternehmens. Er erklärt: „ESI hat sich bereits bei der Unterstützung von Unternehmen im Automobilbereich, der Luft- und Raumfahrt sowie der Energie- und Elektronikindustrie bewährt. Nun wenden sich auch andere Industrien dem Virtual Prototyping zu, da sie die Vorteile erkennen, eine Vorzertifizierung der Produkte vornehmen und potenzielle Problembereiche frühzeitig identifizieren zu können. Offensichtlich repräsentiert der Gesundheitsbereich ein immenses Marktpotenzial, da die Simulation patientenspezifische Anpassungesprobleme lösen kann und Herstellern hilft, die beste Lösung für jeden einzelnen Patienten, in kürzerer Zeit und zu einem erschwinglichen Preis, zu liefern.“

Weitere Informationen über Visual-Environment: www.esi-group.com/visual-environment

Weitere Informationen über Virtual Performance Solution: www.esi-group.com/VPS

Für weitere ESI-Neuigkeiten besuchen Sie: http://www.esi-group.com/de/unternehmen/presse

1 Quelle : « Typologie et épidémiologie des prothèses totales de hanche en France », J Caton, P Papin (2012)

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