Entwicklung eines Ultraschall-Messverfahrens zur Charakterisierung der Knochen-Implantat-Schnittstelle bei Hüftprothesen

Abstract

Die Lockerung eines künstlichen Hüftgelenks ist eine häufige Komplikation in der Orthopädie und Unfallchirurgie. Mit konventionellen Diagnosemethoden wie der Projektionsradiographie lässt sich jedoch mangels Genauigkeit insbesondere im Frühstadium der Lockerung keine verlässliche Diagnose stellen oder zuverlässig erkennen, ob diese zum Beispiel mit der Bildung eines Biofilms in der Knochen-Implantat-Schnittstelle einhergeht.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde daher ein nicht-invasives Ultraschall-basiertes Messverfahren entwickelt, mit dessen Hilfe sich die Dicke der Schicht zwischen Knochen und dem Schaft einer Hüftprothese als Korrelat zu einer Lockerung quantifizieren lässt und welches prinzipiell auch die stoffliche Charakterisierung der Schnittstelle ermöglicht.

Dazu wurde ein bekanntes analytisches Modell der Reflexion von Schallwellen in einem Dreischichtsystem auf die beschriebene medizinische Anwendung an der Knochen-Implantat-Schnittstelle angepasst und erweitert. Durch nichtlinearen Fit der theoretischen Vorhersage des Modells an die tatsächliche Form der an der Zwischenschicht reflektierten Schallwellen im Frequenzbereich kann die Dicke der Zwischenschicht bestimmt werden und Aussagen über deren physikalische Eigenschaften sind möglich.

Die entsprechende Wahl der Messmethodik war dabei eine besondere Herausforderung. Das Verfahren wurde im Hinblick auf die Schichtdickenbestimmung im Bereich von ca. 200 μm bis 2 mm erfolgreich an idealisierten Testsystemen sowie einem realitätsnahen Knochen-Implantat-System angewandt.

Nach weiterer Optimierung und Anpassung sowie weiterführenden experimentellen Tests bietet das Verfahren das Potenzial, die Diagnose einer Prothesenlockerung im Frühstadium wesentlich zu verbessern und ggf. auch die Bildung eines Biofilms zu erkennen.

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