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Fragestellung: Impingement, Instabilität und Luxation sind trotz der Identifizierung zahlreicher Einflussfaktoren häufige Komplikationen in der Hüftendoprothetik. Jedoch ist der Einfluss umgebender Weichteilstrukturen bislang noch nicht vollständig geklärt.

Eine grundlegende Erweiterung der bisherigen experimentellen und numerischen Möglichkeiten zur Analyse von Luxationsvorgängen von Hüftendoprothesen wird mit dem Konzept der Hardware-in-the-Loop (HiL) Simulation erreicht, bei der ein Industrieroboter als physikalisches Aktuatorsystem in ein numerisches muskuloskelettales Modell integriert wird. Innerhalb der HiL Simulation beeinflussen sich das reale Hüftimplantat und die im Simulationsmodell abgebildete anatomische Umgebung wechselseitig.

Ziel dieser Arbeit war es, den Luxationsvorgang eines konventionellen Hüftendoprothesen-Designs im Rahmen einer HiL Simulation darzustellen. Dazu wurde ein muskuloskelettales Modell des rechten Beines in die HiL Umgebung integriert. Exemplarisch wurde eine luxations-assozierte Bewegung im Hüftgelenk betrachtet.

Methodik: Eine reale Hüftendoprothese (Alloclassic System, Fa. Zimmer, Winterthur) wurde in den physikalischen Aufbau integriert. Dabei wurde der Prothesenstiel mit einem 28 mm Metallkopf am Endeffektor des Roboters befestigt, während die modular aufgebaute Pfanne mit PE-Insert auf einem federnd gelagerten Kreuztisch mit zwei unterschiedlichen Pfannenorientierungen (45° bzw. 60° Inklination und jeweils 0° Anteversion) angebracht wurde.

Das muskuloskelettale Modell wurde im Programmsystem SIMPACK (v8.9, Simpack AG, Gilching) generiert und in die HiL Umgebung implementiert. Es beinhaltete alle Segmente des kompletten rechten Beines sowie des vereinfacht dargestellten Oberkörpers. Des Weiteren wurden die anatomischen Gelenke als ideale Gelenke abgebildet. Rotationspunkte, Muskelursprungs- und ansatzpunkte sowie Segmentschwerpunkte wurden einem anatomischen Datensatz entnommen. Muskelkräfte wurden mit der inversen Dynamik berücksichtigt. Als Luxations-gefährdete Bewegung wurde eine tiefe Kniebeuge bis über 110° Flexion mit adduziertem und innenrotiertem Bein betrachtet.

Ergebnisse und Schlussfolgerungen: Innerhalb der HiL Simulation wurde das Verhalten der Hüftendoprothese bis hin zur Luxation sowohl in Bezug auf die Kinematik als auch auf die Dynamik nachgebildet. Bei beiden Pfannenorientierungen kam es nach 90° Flexion zum anterioren Impingement. Bei höherer Flexion folgte die Subluxation und bei die Luxation des Prothesenkopfes nach posterior. Mit der niedrigeren Pfannen-Inklination von 45° luxierte der Kopf später.

Die vorgestellte HiL Simulation ist in der Lage den Luxationsvorgang unter physiologischen Randbedingungen und Berücksichtigung umgebender Weichteilstrukturen abzubilden und gezielte Parameterstudien durchzuführen. Damit stellt sie eine grundlegende Erweiterung der bisher durchgeführten experimentellen Untersuchungen dar, die Limitationen hinsichtlich der Reproduzierbarkeit der Ergebnisse und der systematischen Evaluierung von Einflussparametern aufzeigen.