Harpeng, Theresa MagdalenaTheresa MagdalenaHarpeng2025-08-152025-08-072025-08Technische Universität Hamburg (2025)https://hdl.handle.net/11420/56982The incidence of coxarthrosis and thus the number of cementless total hip arthroplasties (THA) is increasing as a result of demographic change and the rising prevalence of obesity. However, cementless treatment is associated with an increased risk of intraoperative and postoperative periprosthetic femoral fractures (PPF), which account for 15.8 % of follow-up surgeries in Germany. The main cause of intraoperative PPF is seen in increased tangential strains on the proximal femur during stem insertion. In this research work, the displacement-controlled implantation up to the in vitro determined fracture point was simulated with the implicit time integration method in order to investigate the femoral strains in silico. Based on a quantitative computed tomography image (QCT image) of a human femur, two patient-specific, close-to-reality, linear-elastic femur models with cavities of different sizes were created (mean deviation: 0.13 mm). The comparison and validation of the simulations with two implant designs (with and without medial collar; CORAIL, Total Hip Systems, Johnson & Johnson Medical Limited, UK) against the in vitro study was based on the strains of the proximal femur and the implantation force. In silico, collared stems resulted in increased load transfer with axial compression in the calcar-collar contact areas compared to the collarless equivalent. However, the axial compression at the proximal medial femoral surface in silico remained below the compression of -0.49 % measured in vitro. The compression of -0.21 % during stem insertion into the femur with a smaller cavity was closest to the in vitro situation. Both in vitro and in silico the proximal medial femur was initially compressed along the hoop axis during implantation. In the medial region close to the calcar, tensile hoop strains occurred only in vitro shortly before the fracture (0.69 % at the time of fracture), where they are generally considered to be the cause of the fracture. This increase was not seen in the simulations. The tangential compression in silico and in vitro is attributed to the anterior-posterior expansion of the cavity. The simulations show that the implantation force required to reach the intended positioning of the implant and the force at the subsequent fracture position are highly dependent on the geometries used. Due to the lateral widening of the femoral cavity by up to 1.3 mm, the implantation force at the time of fracture was reduced by 55 % when collarless stems were used and by 34 % when collared stems were used. For collared stems, the implantation force prior to the calcar-collar contact was similar to the in vitro situation based on the changed geometry. As soon as calcar-collar contact was achieved, the in silico implantation force increased considerably more for collared stems than for collarless stems, and also compared to the in vitro situation. The simulation results demonstrate that the use of a femoral geometry closer to reality with a smaller cavity is necessary in order to more realistically reproduce the axial and tangential strain distribution of an in vitro implantation in silico. By defining failure mechanisms in further studies, an implantation force closer to the in vitro situation is expected.Mit dem demografischen Wandel und der steigenden Adipositasprävalenz steigt die Coxarthroseinzidenz und damit die Anzahl zementfrei implantierter Hüfttotalendoprothesen (HTEP). Die zementfreie Versorgung ist jedoch mit einem erhöhten Risiko für intraoperative und postoperative periprothetische Femurfrakturen (PPF) verbunden, die in Deutschland 15,8 % der Folgeeingriffe begründen. Die Hauptursache für intraoperative PPF sind dabei erhöhte Dehnungen im proximalen Femur während der Schaftimplantation. Um die femoralen Beanspruchungen in silico zu untersuchen, wurde in dieser Forschungsarbeit die Implantation bis zu dem in vitro ermittelten Frakturzeitpunkt weggesteuert mit impliziter Zeitintegration simuliert. Basierend auf einem quantitativen Computertomographiebild (QCT-Bild) eines humanen Femurs wurden hierfür zwei patient:innenspezifische realitätsnahe, linear-elastische Femurmodelle mit unterschiedlich großen Kavitäten erstellt (mittlere Abweichung: 0,13 mm). Der Vergleich und die Validierung der Simulationen mit zwei Implantatdesigns (mit und ohne medialem Kalkarkragen; CORAIL, Total Hip Systems, Johnson & Johnson Medical Limited, UK) gegen die in vitro-Untersuchung erfolgte anhand der Dehnungen des proximalen Femurs und der Implantationskraft. Im Vergleich zu dem kragenlosen Äquivalent kam es in silico bei Kragenprothesen zu einer verstärkten Lastübertragung mit einer axialen Stauchung in den Kalkar-Kragen-Kontaktbereichen. Die axialen Stauchungen an der proximalen medialen Femuroberfläche blieben in silico allerdings unterhalb der in vitro gemessenen Stauchung von -0,49 %. Die Stauchungen von -0,21 % bei der Implantation in das Femur mit kleinerer Kavität lagen der in vitro-Situation am nächsten. Sowohl in vitro als auch in silico wurde das proximale Femur während der Implantation medial entlang der Ringachse zunächst gestaucht. In dem kalkarnahen Teilbereich traten nur in vitro kurz vor der Fraktur mediale Ringdehnungen auf Zug auf (0,69 % zum Frakturzeitpunkt), die allgemein als frakturursächlich angesehen werden. In den Simulationen war dieser Anstieg nicht zu sehen. Die tangentiale Stauchung in silico und in vitro wird auf die anterior-posteriore Weitung der Kavität zurückgeführt. Die Simulationen zeigen, dass die zur vorgesehenen Positionierung des Implantats notwendige Implantationskraft sowie die Kraft an der späteren Frakturposition stark von den verwendeten Geometrien abhängt. Durch die laterale Vergrößerung der Femurkavität um bis zu 1,3 mm reduzierte sich die Kraft zum Frakturzeitpunkt um 55 % bei der Verwendung von Implantaten ohne Kragen und um 34 % bei Implantaten mit Kragen. Bei den Kragenprothesen war die Implantationskraft vor dem Kalkar-Kragen-Kontakt durch die Geometrieveränderung ähnlich zu der in vitro-Situation. Die in silico-Implantationskraft stieg bei diesen ab dem Zeitpunkt des Kalkar-Kragen-Kontakts deutlich stärker als bei Implantaten ohne Kragen und als in vitro. Die Simulationsergebnisse demonstrieren, dass die Verwendung einer realitätsnäheren Femurgeometrie mit kleinerer Kavität notwendig ist, um axiale und tangentiale Dehnungen während der in vitro-Implantation in silico realistischer abzubilden. Durch die Definition von Versagensmechanismen wird in weiterführenden Untersuchungen eine der in vitro-Situation nähere Implantationskraft erwartet.dehttp://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/finite element analysispatient-specific modeltotal hip replacementcementlesscollaredcollarlessTechnology::617: Surgery, Regional Medicine, Dentistry, Ophthalmology, Otology, AudiologyTechnology::620: EngineeringMaster Thesishttps://doi.org/10.15480/882.1577310.15480/882.15773Brand, KatjaKatjaBrandMorlock, MichaelMichaelMorlockCheca Esteban, SaraSaraCheca EstebanOther