Betriebsfestigkeit eines Hüftimplantats

Spannungsberechnung und Betriebsfestigkeits-

bewertung mit ANSYS® Workbench™

Ihr Ansprechpartner:

Dipl.-Ing. Christoph Schlegel

Tel. +43(0)1 5877073-12

E-Mail christoph.schlegel@cadfem.at

Aufgabenstellung

Bei Hüftimplantaten, die als hochbeanspruchbare

Bauteile entwickelt werden, kommt es trotz ge-

wissenhafter Auslegung vereinzelt zum Bruch.

Speziell am Schaftquerschnitt ist die Bruchsi-

cherheit begrenzt, denn dieser kann nicht belie-

big groß dimensioniert werden, da sonst der Be-

wegungsfreiraum eingeschränkt wäre.

Im konkreten Fall eines Implantatbruchs kam es

zu einem Gerichtsverfahren zwischen dem

Krankenversicherungsträger und dem Implan-

tathersteller. Der Gerichtssachverständige beauf-

tragte CADFEM mit einer FE-Analyse (Finite Ele-

mente) des Implantates, um von unabhängiger

Stelle klären zu lassen, ob Dimensionierungs-

mängel erkennbar waren.

Lösung

Der CADFEM Geschäftsbereich „Medical“ konzen-

triert sich auf FE-Simulationen im Medizinbereich

und hat hier viel Erfahrungen gesammelt. Durch

die Verwendung von publizierten Mess-

ergebnissen von Kräften in Hüftgelenken realer

Patienten sowie Vorgaben aus Prüfnormen konn-

ten Simulationen mit ANSYS® Workbench™ für

das betreffende Implantat durchgeführt werden.

Diese zeigten, dass neben der Dimensionierung

des Implantats vor allem das Gewicht des Patien-

ten und dessen Aktivitätslevel großen Einfluss auf

die Lebensdauer haben.

Nutzen für den Kunden

Mit der FE-Simulation kann die Spannungsvertei-

lung und die Lebensdauer des Implantates für

unterschiedliche Patientengruppen abgeschätzt

und so das Bruchrisiko reduziert werden. Damit

wird auch die Wahrscheinlichkeit einer weiteren

Operation für den Patienten minimiert. Simulati-

onen unterstützen die Dimensionierung neuer

Implantat-Typen und geben dem Mediziner eine

Entscheidungshilfe bei der Wahl der optimalen

Variante für den jeweiligen Patienten.

Quellen:

1) http://www.biomedcentral.com/1471-2474/11/3

Grupp T.M., Weik T., Bloemer W., Knaebel H.P.

“Modular titanium alloy neck adapter failures in hip replacement - failure

mode analysis and influence of implant material” 2010

2) www.orthoload.com bzw.

Bergmann G, Graichen F, Rohlmann A, Bender A, Heinlein B, Duda G N.

2010. Realistic loads for testing hip implants. Bio-Medical Materials and En-

gineering. 2010, 20, S. 65–75.

Gebrochenes Hüftgelenksimplantat 1)

Kräfte am Hüftgelenk beim Treppen steigen 2)

Kräfte am Hüftgelenk abhängig vom Gewicht 2)

Schaftquerschnitt