Due to increasingly ageing populations and a rising demand on quality of life hip replacement became one of the most common operations in orthopedics and trauma surgery over the last decades and even continues to gain importance. However, in more than 10 percent of cases, loosening of the implanted prosthesis occurs within the first 15 years after surgical implantation. As a result, the prosthesis usually has to be completely replaced in a complex operation which often leads to complications. The later the prosthesis loosening is detected, the more difficult the initial situation for a successful and complication-free prosthesis replacement is. In addition to early diagnosis, it is essential to distinguish between purely mechanical (aseptic) loosening and loosening caused by bacterial infection (septic). Due to a lack of accuracy, conventional diagnostic methods such as projection radiography cannot reliably diagnose loosening in its early stages or detect whether it is associated with the formation of a biofilm in the bone-implant interface.

In this work, we developed a non-invasive ultrasound-based measurement procedure for quantifying the thickness of the layer between the bone and the stem of a hip prosthesis as a correlate to loosening. In principle, it also allows for material characterization of the interface.

The introduced method is based on a well-known analytical model of the reflection of sound waves in a three-layer system being mainly used for characterizing the thickness of thin lubricant films. For the desired medical application of characterizing the bone-implant interface which comes along with rough surfaces, inhomogeneous materials and the impossiblity of reference measurements, we adapted and extended this model and developed suitable data processing algorithms for analyzing the interface.

With respect to determining the layer thickness, the procedure was experimentally validated at different idealized test systems and a more realistic bone-implant system within in the range of approx. 200 µm to 2 mm. Consequently, our procedure is able to quantify the thickness of thin interlayers even at rough, porous and inhomogeneous materials and without a reference measurement.

After further optimization and adaptation, as well as further experimental tests, the procedure offers great potential to significantly improve the diagnosis of prosthesis loosening at an early stage and may also bei applicable to detect the formation of a biofilm.

Material characterization using contactless excited and detected guided acoustic waves is a well proven, but overall expensive approach, since a cheap method of excitation is missing so far. Ignition-spark-excitation of Lamb waves could be such a method but has not shown to be suitable for material characterization yet. Covering various thicknesses and materials of metal plates, systematic dependencies of the spectral amplitude of the ignition-spark-excited Lamb waves are presented in this work. This enables the approach to be an alternative for exciting Lamb waves for material characterization.

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.