Projekte

ZESBO

Projekte

Auslockerungsmechanismen im Schraube-Knochen-Verbund

Sobald sich Schrauben aus dem Knochen lockern, kann es zu einem Ausfall eines Implantatsystems kommen. In osteoporotischen Knochen sind diese Vorgänge verstärkt zu beobachten. Daher ist der feste Verbund von Schrauben im Knochen noch immer eine zentrale Frage der orthopädischen Forschung. Zur Charakterisierung der Primärfestigkeit dieser werden Auszugversuche aus Knochenersatzmaterial, Kunstknochen sowie Spenderpräparaten durchgeführt. Dabei werden verschiedene Schraubendesigns gegeneinander getestet, mit dem Ziel die Auslockerungsmechanismen besser zu verstehen. Zusätzlich werden zu diesem Zweck Finite-Elemente-Untersuchungen hinzugezogen und entsprechend ausgewertet.

Beckenimplantatsystem mit anatomischer Vorformung

Inhalt des Projekts ist die Entwicklung eines neuartigen vorgeformten Beckenimplantatsystems mit patientenspezifischer Anpassung mittels numerischer und materialtechnischer Festigkeitsanalysen sowie biomechanischer Testung. Zum einen soll dadurch eine stabile Verankerung ermöglicht und zum anderen durch die Optimierung der Implantatsysteme mit Anpassung an die physiologischen und anatomischen Gegebenheiten eine Verbesserung der Funktionalität sowie Standdauer erreicht werden.

Bikondyläre unikompartimentelle Knieendoprothese

Die bikondyläre unikompartimentelle Knieendoprothese wurde bereits 1970 von Marmor eingesetzt, nachdem erste Ergebnisse mit metallischen Komponenten in den 50er Jahren relativ schlechte Ergebnisse erbracht hatten. Als prinzipielle Vorteile der unikompartimentellen Knieendoprothese gelten die minimalinvasive Implantation, eine bessere Kinematik, weniger Blutverlust, niedrigere Infektionsrate und die einfachere Revision. An Fragestellungen verbleiben die korrekte Indikation für eine Implantation einer solchen Endoprothese, die Implantathöhe lateral bzw. medial sowie Slope und Rotation lateral bzw. medial. In Abhängigkeit von der knöchernen Situation und den verwendeten Materialien wird eine Finite-Elemente-Analyse sowohl bei den gesunden als auch den arthrotischen Kniegelenken durchgeführt, um festzustellen, welche Folgen für die Belastung in Abhängigkeit von der Positionierung der Prothesen auftreten.

Finite-Elemente-Modellierung der lumbopelvinen Faszien

Das Ziel des hier beantragten Projekts ist die Komplettierung eines in der Arbeitsgruppe erstellten Finite-Elemente-Modells des menschlichen Beckens, welches die biomechanischen Lastverhältnisse realistisch widergibt. Das bisher erstellte Modell umfasst knöcherne, knorpelige sowie ligamentäre Strukturen und simuliert mit hoher Genauigkeit die Lastverhältnisse im Becken sowohl im gesunden Zustand als auch im Frakturfall. Zusätzlich soll es zur patientenspezifischen OP- und Implantatplanung verwendet werden. Für die Vervollständigung müssen jedoch die Weichgewebeanteile, insbesondere die Faszien des Beckens, berücksichtigt und integriert werden. Da die Präparation und mechanische Charakterisierung der beteiligten Strukturen (Muskeln, Sehnen, Organe) sich als extrem aufwendig gestaltet und die Technologie inzwischen die Abbildung komplexer Gebilde ermöglicht, ist die Verwendung der Finite-Elemente-Methode als Basis der Beschreibung der Struktur und des mechanischen Verhaltens der Faszien der vielversprechendste Ansatz.

Hüfttotalendoprothese mit integrierter Verschleißsensorik

Das Implantieren einer Hüfttotalendoprothese gehört zu den häufigsten Operationen in Deutschland. Noch immer haben diese Endoprothesen, aufgrund des mechanischen Verschleißes, nur eine begrenzte Standzeit. Zudem ist es sehr schwierig den Verschleißzustand einer implantierten Endoprothese zu bestimmen, weshalb es zu unnötig komplizierten Revisionsoperationen und Schmerzen beim Patienten kommen kann. Daher ist es Ziel des Projektes, eine Hüfttotalendoprothese zu erstellen, welche über eine Messeinrichtung zur Bestimmung ihres Verschleißzustandes verfügt. Dazu soll ein neuartiges Messverfahren, eine kontaktlose Datenübertragung sowie eine entsprechende Energieversorgung entwickelt werden.

Morphingalgorithmus zur medizinischen Finite-Elemente-Modellierung

Das Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung eines individuell wandelbaren, parametrisierten Modellierungstools und die Ableitung von Erstellungskriterien zur medizinischen Finite-Elemente-Modellierung im Bereich des Beckens. Dies soll die individuelle Vorabsimulation postoperativer Versorgungszustände komplexer Frakturen ermöglichen, ohne die übliche langwierige Erstellung eines patientenspezifischen Modells mittels Segmentierung aus Patienten-CT-Daten zu benötigen. Ebenso umfassen die Ziele dieses Projekts die Schaffung einer einheitlichen Prüfmethodik zur Identifizierung biologischer Materialparameter des pelvinen Stütz- und Bewegungsapparates.

Beckenspezifische Range of Motion Tests

Ziel dieses Projekts ist es, die Relativbewegung von einzelnen Knochensegmenten im komplexen Bereich der Lendenwirbelsäule mit angeschlossenem Beckenring zu untersuchen. Dafür wurde ein Versuchsaufbau konzipiert, über den Lasten definiert in die Acetabula eingeleitet und die Reaktionen des Gesamtsystems bestimmt werden können. Dabei finden vielerlei Gegebenheiten Berücksichtigung, wie beispielsweise degenerierte Bandscheiben oder Verknöcherungen von Gelenken, welche sich mindernd auf die Beweglichkeit auswirken können. Auch eingebrachte Implantate können zu Versteifungen führen. Der Versuchsaufbau erlaubt es daher all diese Parameter und ihre Auswirkungen auf den Bewegungsumfang zu analysieren. Weiterhin werden die gewonnenen experimentellen Ergebnisse zur Validierung von Finite-Elemente-Modellen genutzt.

Verschiebe- und Rotationsadapter für Beinprothesen

Die Versorgung von Beinamputierten mit einer mobilisierenden Prothese stellt eine zentrale Aufgabe der modernen Orthopädietechnik dar. Hierbei muss in zahlreichen Arbeitsschritten für jeden Patienten eine hochgradig individuelle Lösung angefertigt und eingepasst werden. Nicht selten sind aufwendige Nacharbeiten sowie Anpassungen vorzunehmen. Ziel dieses Projektes ist es, einen Verschiebeadapter mit einer geringen Aufbauhöhe zu entwickeln, der sich in je zwei rotatorische bzw. translatorische Richtungen verfahren lässt. Außerdem wurde ein unterstützendes Messsystem zur Positionierung des Ankers konstruiert, um somit die Verweildauer des Patienten zu reduzieren.

Wirbelsäulentherapie

Studien belegen, dass annähernd die Hälfte aller chronischen Schmerzpatienten in Deutschland unter Schmerzen im Bereich der Wirbelsäule leiden. Dabei sind über 85 Prozent dieser Beschwerden unspezifisch, d.h. sie können nicht direkt auf Verletzungen oder andere klar zu benennende Pathologien zurückgeführt werden. Vielmehr entstehen diese Leiden durch arthromuskuläre Defizite bzw. Dysbalancen. Eine entscheidende Rolle spielt hierbei die autochthone Rückenmuskulatur, welche neben den Bewegungen der Wirbelsäule vor allem für die aufrechte Körperhaltung verantwortlich ist. Sie lässt sich nicht willentlich anspannen und reagiert rein reflektorisch, was eine spezielle Therapierung unabdingbar macht. Die Anwendung von dosierten physischen Beanspruchungen im Rahmen der Prävention, Rehabilitation und Therapie ist eine der Hauptmethoden der modernen medizinischen Trainings- bzw. Sport- und Physiotherapie. Sie dient dabei der Erhaltung sowie Wiederherstellung der Leistungsfähigkeit der Skelettmotorik. Das Ziel der dargestellten Studie besteht darin, eine Evidenz für das Vorliegen eines Behandlungseffekts mittels des computergestützten Test- und Trainingssystems Centaur zu finden.

Entwicklung eines Messsystems für Mikrobewegungen von Implantaten

Das Ausmaß der Mikrobewegungen zwischen Implantat und Knochengewebe innerhalb der ersten vier bis sechs postoperativen Wochen hat einen entscheidenden Einfluss auf den Prozess der Osseointegration. Darauf basierend wurde ein Messsystem entwickelt, mit welchem sich Mikrobewegungen zwischen Implantat und (Kunst-)Knochen in deren Interface in allen sechs Freiheitsgraden erfassen lassen. Jene Messungen werden in vitro an einem Versuchsstand durchgeführt und dienen der Beurteilung unterschiedlichster Implantationsparameter, wie beispielsweise das Implantatdesign, die Implantatausrichtung sowie die Art und Anzahl der Fixierungselemente.

Intraoperatives Beinlängenmesssystem

Pro Jahr werden in Deutschland ca. 36.000 Totalendoprothesen der Hüfte gewechselt oder entfernt. Ein großer Anteil der Revisionen ist durch eine durch die Operation hervorgerufene Änderung der Beinlänge begründet, was bei den Patienten zu Folgeschäden wie Rückenbeschwerden oder Beeinträchtigung der Mobilität führen kann. Grund für die Beinlängenänderung ist, dass während der Operation der vollständige Kopf des Oberschenkelknochens entfernt und durch ein Implantat ersetzt wird, welches in den Knochen hineingeschlagen wurde. Bei der Rekonstruktion kann der genaue Sitz der Endoprothese nur abgeschätzt werden, wodurch Abweichungen zur zuvor durchgeführten Planung nicht zu vermeiden sind. Derzeit gibt es keine Möglichkeit eine intraoperative Messung der Beinlänge durchzuführen, was den Erfolg der Operation allein auf die gute Planung und die Erfahrung des Operateurs stützt. Deshalb wurde ein entsprechendes Messsystem entwickelt, das es dem Operateur ermöglicht, die exakte Beinlänge und das Hüftrotationszentrum während der Operation zu ermitteln. Grundlage des Beinlängenmesssystems ist die KinectV2 von Microsoft. Mit diesem Kamerasystem wird ein Marker, welcher an der Tibia des Patienten befestigt ist, beim Heben und Senken des Beins eines liegenden Patienten getrackt. Durch sphärisches Fitting der dabei aufgezeichneten 3D-Koordinaten wird letztendlich auf die Länge des Beins und dessen Hüftrotationszentrum geschlossen.

Modulare Hüfttotalendoprothese

Eine in der Hüfttotalendoprothetik viel diskutierte Problematik stellt die Rekonstruktion der exakten Beinlänge nach erfolgter Operation im Vergleich zur unbehandelten Extremität dar. Abhilfe hierbei soll eine einzubringende Endoprothese schaffen, mit deren Unterstützung die Beinlänge intraoperativ sehr leicht variiert werden kann. Um während der Operation eine exaktere Justierung zu ermöglichen, wurden sowohl eine modulare Hüfttotalendoprothese als auch ein Messsystem zur Detektion der genauen Beinlänge entwickelt. Im Bereich der modularen Hüfttotalendoprothese wurden drei neuartige Schnittstellenvarianten entwickelt sowie getestet, wobei jede als Verbindung geeignet ist und auch für andere Implantattypen verwendet werden kann. Am Ende stellte sich eine drehende Schnittstellenvariante als besonders geeignet heraus, da sie alle relevanten Testprozeduren erfolgreich bestand. Das Messsystem kombiniert wiederum verschiedene berührungslose Messprinzipien (optische Bildkorrelation in Kombination mit Positions- und Beschleunigungssensoren) und ermöglicht somit sowohl Messungen am idealisierten als auch am humanen Bein. Zusätzlich konnten die angestrebten technischen Zielparameter am Modell ermittelt werden.

Modulare Tumorendoprothese im Bereich des proximalen Femurs

Der hüftnahe Abschnitt des Oberschenkelknochens ist häufiger Manifestationsort von malignen Knochentumoren. Nicht selten werden zur Funktionswiederherstellung sogenannte Tumorendoprothesen bzw. Megaendoprothesen eingesetzt. Tumorendoprothesenkomponenten kommen sowohl bei der operativen Tumorbehandlung als auch zunehmend bei Implantatrevisionen zum Einsatz. Zu den grundlegenden, bisher nicht umgesetzten Anforderungen der Tumorendoprothese gehören u.a. das knochenähnliche Gewicht und die anatomisch korrekte Anbindung von Muskelgeweben. Aus diesem Grund wurde ein aufeinander abgestimmtes anatomisch gestaltetes Implantat für den proximalen Femur entwickelt. Die Schwerpunkte lagen dabei in der Anwendung des Funktionsleichtbaus zur Erstellung eines robusten langlebigen Implantats sowie in der Integration textiler Strukturen zur biomechanisch korrekten Anbindung von Muskelgeweben. Der Verbund Tumorendoprothese-Muskulatur soll hierbei vorrangig eine rasche und dauerhafte Anbindung der Weichteile unterstützen.

OP-Planungssoftware Hüfte

Für die routinemäßige, computergestützte Planung von Implantations- und Revisionsoperationen von Hüftendoprothesen wurde eine Software entwickelt, welche neben der präoperativen Planung auch die intraoperative Darstellung, postoperative Kontrolle und Analyse unterstützt. Diese Software arbeitet hoch präzise und ermöglicht durch ihren Einsatz die Reduktion der OP-Zeiten sowie die Infektionsgefahr für den Patienten. Darüber hinaus geht mit der Realisierbarkeit einer optimalen Versorgungsplanung (bestmögliche Endoprothese) eine Verringerung der Komplikationsrate einher, welche wiederum zu einer Steigerung der Patientenzufriedenheit sowie zur Reduktion der OP-Gesamtkosten führt.

Revisionsinstrument für Hüftendoprothetik

Das Ziel des Projekts bestand darin, erstmalig ein universelles Instrumentarium zur knochenschonenden Entfernung von Hüftgelenkpfannenimplantaten zu entwickeln. Auf Grundlage klinischer und anatomischer Anforderungen wurden in der ersten Entwicklungsphase verschiedenartige Lösungsvarianten konzipiert. Nach ausgiebiger Analyse und ingenieurtechnischer Bewertung wurde im weiteren Projektverlauf vorrangig die Variante eines modularen Schneidinstrumentes weiterverfolgt. Parallel dazu wurden auf Basis von humanen Körperspendergeweben mechanische Kennwerte zu Festigkeit sowie Ausrisslast eingewachsener Pfannenimplantate erhoben, welche zur Beschreibung des Versagensverhaltens und der Parametrisierung des numerischen Finite-Elemente-Modells herangezogen wurden. Nach Beendigung aller Untersuchungen wurden erste Funktionsmuster gefertigt. Eine abschließende Erprobung des entwickelten Instrumentenprototyps erfolgte unter anwendungsspezifischen Bedingungen sowohl am künstlichen Hüftmodell als auch in einer virtuellen CAD-Umgebung und am humanen Hüftgelenk.

Copyright © Universität Leipzig
#