^{1}Lehrstuhl Konstruktionstechnik/CAD, Universität Rostock, Rostock, Germany

^{2}Orthopädische Klinik und Poliklinik, Universität Rostock, Rostock, Germany

^{3}Lehrstuhl für Technische Mechanik/Dynamik, Universität Rostock, Rostock, Germany

Citation Information: Biomedizinische Technik/Biomedical Engineering. Volume 55, Issue 1, Pages 47–55, ISSN (Online) 1862-278X, ISSN (Print) 0013-5585, DOI: 10.1515/bmt.2010.005, February 2010

## Zusammenfassung

Impingement und Luxationen zählen zu den häufigeren Versagensursachen von Hüftendoprothesen. Zur diesbezüglichen Optimierung der Implantatkomponenten werden Simulationsverfahren eingesetzt, die eine umfassende mathematische Beschreibung der Kinematik unter Berücksichtigung konstruktiver und operativer Parameter erfordern. Für die Untersuchung des Luxationsverhaltens sind räumliche Bewegungsbahnen bis zum Impingement mit den zugehörigen Belastungsszenarien zu generieren. In der vorliegenden Arbeit werden die Berechnungsgrundlagen zur Bestimmung des Bewegungsumfangs von Hüftendoprothesen unter Berücksichtigung mehrachsiger, überlagerter Bewegungen vorgestellt. Die wesentlichen Designparameter wie Kopf- und Halsdurchmesser, CCD-Winkel und Kopfüberdeckung werden dabei berücksichtigt. Darüber hinaus wird die Einbaulage der künstlichen Hüftpfanne über die Inklination und Anteversion sowie die Stielantetorsion erfasst. Mit diesem Ansatz für überlagerte Bewegungen ist es möglich, bei gegebenen Auslenkungen in z.B. Flexion/Extension die Restdrehwinkel für z.B. Abduktion oder Innenrotation zu ermitteln. So können für beliebige, mehrachsige Bewegungen die kritischen, luxationsbedingenden Gelenkstellungen bei einer Primär- oder Wechseloperation bestimmt werden, d.h., der Operateur kann bei vorgegebener Endoprothesenlage den maximalen Bewegungsumfang ermitteln. Die Berechnungen sind zudem nutzbar für weitere Geometrieoptimierungen der Implantate. Mit Hilfe dieser Berechnungsalgorithmen lassen sich ROM-Karten (grafische Darstellung der Range of Motion in Abhängigkeit der Implantatposition) erstellen, welche den Operateur bei der Implantatpositionierung unterstützen. Darüber hinaus werden die Ergebnisse in Prüfsystemen zur experimentellen Analyse von Impingement und Subluxation verwendet.

## Abstract

Impingement and dislocations rank among the frequent failure causes of hip endoprotheses. The further optimization of endoprotheses requires a comprehensive mathematical description of the kinematics with consideration of surgical and design parameters. For the investigation of dislocation behavior, spatial movements up to impingement with associated load scenarios should be generated. We present fundamentals for the determination of the range of motion of total hip replacements with consideration of multidirectional, superimposed movements. Therefore, the remaining angle, e.g., of abduction/adduction or internal/external rotation depending on flexion/extension can be calculated. Thereby, the substantial design parameters such as head and neck diameter, CCD angle and head coverage are considered. Moreover, the position of the acetabular cup in terms of inclination and anteversion angle as well as neck anteversion is considered. Using this approach, especially designed for superimposed movements, residual range of motion for given movements, e.g., abduction or internal rotation for given angles of flexion/extension can be calculated. Thus, the critical dislocation-initiating joint positions for primary or revision total hip arthroplasty can be determined for arbitrary superimposed movements; subsequently, the operating surgeon can evaluate the maximum range of motion for a given implant position. Additionally, the calculations are of help for further geometrical optimization of implants. The calculation algorithms can be used to create ROM maps (graphical illustration of the range of motion depending on implant position) which support the operating surgeon in placement of the implant components. Moreover, our results are utilized for experimental test setups to analyze impingement and subluxation.

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