Einfluss von Aufschlagsgeschwindigkeit und -winkel auf die mechanische Konusstabilität keramischer Kugelköpfe - Eine Finite-Elemente-Analyse

Fragestellung Die Konusverbindung zwischen Stiel und Kugelkopf stellt einen elementaren Bestandteil modularer Hüftendoprothesensysteme dar. Hierbei ist es für die Langlebigkeit des Implantats entscheidend, dass der Kugelkopf ausreichend fest auf den Stielkonus gefügt wird.

Ziel der vorliegenden numerischen Studie war es, den Einfluss der intraoperativ aufgebrachten Aufschlagsgeschwindigkeit sowie Abweichungen des Aufschlagswinkels auf die mechanische Konusstabilität zu untersuchen.

Methodik Daher wurde im Rahmen einer dynamischen Finite-Elemente-Analyse (FEA) untersucht, welchen Einfluss die Aufschlagsgeschwindigkeit und der Aufschlagswinkel auf die Stabilität der Konusverbindung von Stiel und Kugelkopf hat. Hierfür wurde ein Fallhammerexperiment simuliert, in welchem ein Kugelkopf aus Oxidkeramik (Ø28 mm, Halslänge L) auf einen Stielkonus (12/14, TiAl6V4) aufgeschlagen wird. Die Simulation bestand aus zwei Schritten, dem Fügeprozess und dem anschließenden Abziehen des Kopfes [Abbildung 1 a-c]. Variiert wurden neben der Aufschlagsgeschwindigkeit (500 mm/s, 1.000 mm/s und 2.000 mm/s) auch der Aufschlagswinkel (0° und 35°; Abbildung 1 d). Zwischen dem Kugelkopf und Konus wurde ein Reibkoeffizient von 0,25 angenommen. Ausgewertet wurden die Fügekraft, gemessen an der Einspannung des Konus, und die Abzugskraft am Kopf.

Abb.1 Schematische Darstellung der FEA: a.) Hammerbewegung mit definierter Geschwindigkeit; b.) Hammeraufschlag und Impulsübertragung (Fügen); c.) Verschiebung des Kopfes (Abzug); d.) Variation des Aufschlagwinkels (35°)

Ergebnisse und Schlussfolgerung Es zeigte sich sowohl ein Einfluss der Aufschlagsgeschwindigkeit als auch des Aufschlagswinkels ([Tabelle 1] und [2]). Der Einfluss der Aufschlagsgeschwindigkeit verhielt sich dabei nahezu linear und korrespondiert mit experimentellen Studien [1] [2]. Eine in situ realistische axiale Abweichung des Aufschlagswinkels um 35° führte zu einer Reduktion der Abzugskraft um ca. 20 %.

Tab.1

Fügekräfte (kN) in Abhängigkeit der Aufschlagsgeschwindigkeit und des Aufschlagswinkels.

Hammergeschwindigkeit (mm/s)	500	1.000	2.000
0°	1,8	3,7	7,4
35°	1,5	3,1	6,1
Differenz (%)	-18,1	-17,7	-17,5

Tab.2

Abzugskräfte (kN) in Abhängigkeit der Aufschlagsgeschwindigkeit und des Aufschlagswinkels.

Hammergeschwindigkeit (mm/s)	500	1.000	2.000
0°	1,0	1,9	3,8
35°	0,8	1,5	3,0
Differenz (%)	-21,2	-21,5	-21,1

Beim intraoperativen Fügen des keramischen Kugelkopfes auf den Konus sollte auf ein möglichst axiales Aufschlagen geachtet werden. Wenn ein axiales Aufschlagen aufgrund ungünstiger intraoperativer Bedingungen nicht möglich ist, ist ein stärkerer Hammerschlag notwendig, um eine vergleichbare mechanische Konusstabilität zu erreichen. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass eine erhöhte Fügekraft mit höheren Spannungen in den keramischen Kugelköpfen einhergeht, die ein erhöhtes Risiko für einen Bruch des Implantats darstellen können.

Stichwörter Finite-Elemente-Analyse, Konusverbindung, Kugelkopf, Fügevorgang, Aufschlagswinkel, Auschlagsgeschwindigkeit

Publication History

Article published online:
15 October 2020

• Literatur

• 1 Pennock AT, Schmidt AH, Bourgeault CA. Morse-type tapers. J Arthroplasty 2002; 17 : 773-8.
• 2 Rehmer A, Bishop NE, Morlock MM. Influence of assembly procedure and material combination on the strength of the taper connection at the head-neck junction of modular hip endoprostheses. Clin Biomech (Bristol, Avon) 2012; 27 : 77-83.