Projekte

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Sulcus-bicipitalis-Plattenosteosynthese

Komplexe proximale Humerusfrakturen stellen hohe Anforderungen an eine osteosynthetische Versorgung. Zahlreiche Risikofaktoren können im schlimmsten Fall zu einem Versagen der Plattenosteosynthese führen. Im Rahmen des Projekts soll daher eine winkelstabile Osteosyntheseplatte entwickelt und validiert werden, welche die Rekonstruktion grob dislozierter multifragmentärer proximaler Humerusfrakturen unterstützt. Anders als bei aktuell verwendeten Osteosyntheseplatten soll das Tuberculum minus mit einbezogen werden, um darüber eine mediale Säule zu schaffen. Die Vorteile der zu entwickelnden Platte sind die mögliche mediale Abstützung und die damit einhergehende Verbesserung von Stabilität in axialer und translatorischer Ebene.

Primärstabilität und Sinterungsneigung von Fusionsimplantaten der Wirbelsäule

Um die Primärstabilität im Dauerfestigkeitsbereich von Fusionsimplantaten im Knochenverbund zu testen, wird ein Prüfstand entwickelt, der typische Bewegungen und Belastungen an der Wirbelsäule simulieren soll. Bei der biomechanischen Testung können die resultierenden Bewegungen der Knochen und Implantate optisch gemessen werden. Der Fokus liegt dabei auf Untersuchungen von verschiedenen Cage-Designs im Pedikelschrauben-Stab-Verbund. Durch die Untersuchungen von Relativbewegungen der Cages zum Knochen erhofft man sich Erkenntnisse zu sammeln, die zukünftig in der Implantatentwicklung berücksichtigt werden.

Regeneration knöcherner Gesichtsschädeldefekte mithilfe eines Algorithmus zur Herstellung von patientenspezifischen Hybrid-Scaffolds

Die adäquate Behandlung von Knochendefekten des Gesichtsschädels unter Berücksichtigung von Ästhetik und Funktionalität stellt das Ziel dieses Projektes dar. Im Gegensatz zur derzeitigen Standardtherapie, wobei körpereigene Knochentransplantate z.B. aus dem Wadenbein oder Beckenknochen entnommen werden, beruht das neue Verfahren auf der Verwendung sogenannter hybrider Scaffolds. Dabei handelt es sich um ein defektspezifisches Gerüst, welches auf 3D-Daten bzw. -Simulationen beruht und im 3D-Druckverfahren sowie durch Gefrierschäumung hergestellt wird. Es besteht aus zwei Komponenten – der lasttragenden Gitterstruktur und einer formgebenden Knochenkeramik, die mit Wachstumsfaktoren versehen wird. Diese fördern den Regenerationsprozess und somit die Knochenneubildung, während die Knochenkeramik allmählich abgebaut und ersetzt wird. Knochenersatzmaterialen sollen im Rahmen des Projekts letztlich so weiterentwickelt werden, dass die natürliche Kraftverteilung im jeweiligen Knochen berücksichtigt und der Biomechanik mehr Rechnung getragen wird, da diese eine entscheidende Rolle in den Auf- und Abbauvorgängen von Knochengewebe spielen.

Entwicklung von realistischen Knochenmodellen mit Sensorintegration

Das Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung von künstlichen, biomechanisch korrekten Knochenmodellen z.B. für die Implantattestung. In diese werden zusätzlich Sensoren zur Detektion von Belastungszuständen integriert. Damit sollen biomechanische Prüfungen perspektivisch vereinfacht und standardisiert werden. Weiterhin wird durch die neuen Knochenmodelle eine Reduzierung der aufwändigen und kostenintensiven Prüfungen an humanen Proben angestrebt.

Formgedächtnisimplantate - smart³

Aktive Formgedächtniselemente können sich bei Temperaturänderung an eine eintrainierte Ausgangsform „erinnern“, dabei ihre Form verändern und Arbeit verrichten. Im laufenden Projekt werden Formgedächtniselemente auf Basis von NiTi-Legierungen in Schraubenimplantate integriert, die durch Körperwärme aktiviert werden und spezielle Ausstellmechanismen auslösen. Nach dem Grundprinzip eines Dübels soll auf diese Weise selbstständig die primäre Verankerungsfestigkeit im osteoporotischen oder sonstig vorgeschädigten Knochen erhöht werden. Darüber hinaus werden Materialtestungen am menschlichen Knochen sowie experimentelle und numerische biomechanische Untersuchungen bezüglich der Wechselwirkungen an der Knochen-Implantat-Schnittstelle durchgeführt.

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.

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.

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.

Automatische Erkennung von Veränderungen an Hüftimplantaten mittels neuronaler Netze

Die Zielsetzung des Projektes war die Entwicklung und Erprobung einer Software, welche Ärzten helfen soll, Veränderungen an Hüftendoprothesen anhand von Röntgenbildern leichter erkennen und im Verlauf beurteilen zu können. Zu diesem Zweck wurden neuronale Netze konzipiert und trainiert, welche zur automatisierten Erkennung und Segmentierung der Endoprothesen sowie möglicher Komplikationen (Osteolysen, Positionsveränderungen, Verschleißerscheinungen) dienen. Die in diesem Zuge entwickelte Browser-Applikation verfügt über entsprechende Mess- und Annotationswerkzeuge zur Beurteilung neuer Datensätze, was eine ständige Erweiterung der Datenbasis und damit einhergehend eine fortlaufende Optimierung der neuronalen Netze ermöglicht.

Entwicklung eines individuellen parameterabhängigen Wandlungsalgorithmus und Ableitung einer Erstellungsrichtlinie zur medizinischen Finite-Elemente-Modellierung

Das Ziel dieses Projektes war die Entwicklung eines individuell wandelbaren, parametrisierten Modellierungstools und die Ableitung von Erstellungskriterien zur medizinischen Finite-Elemente-Modellierung im Bereich des Beckens sowie die Schaffung einer einheitlichen Prüfmethodik zur Identifizierung biologischer Materialparameter des pelvinen Stütz- und Bewegungsapparates.

Elektrochemische Bearbeitung von Implantatkomponenten aus Nickel-Titan-Legierungen

Die Integration von Nickel-Titan-Elementen in Implantaten erfordert häufig komplexe Geometrien, die durch die Umsetzbarkeit der FGL-Komponenten limitiert sind. Ziel dieses Projektes war daher die Herstellung komplexer FGL-Geometrien mit geringen Strukturgrößen bei gleichzeitiger Erhaltung der Aktorfunktionalität. Mithilfe elektrochemischer Bearbeitungsprozesse wie ECM und PEP wurden diese spezifischen Anforderungen schließlich umgesetzt. Genauer wurde dabei untersucht, inwiefern die gewählten Verfahren in der Lage sind, eine vollständige Fertigungskette abzubilden, beginnend bei der Formgebung über die Oberflächenstrukturierung bis hin zum Oberflächenfinish einer FGL-Komponente.

Beckenimplantatsystem mit anatomischer Vorformung

Inhalt des Projekts war die Entwicklung eines neuartigen vorgeformten Beckenimplantatsystems mit patientenspezifischer Anpassung mittels numerischer und materialtechnischer Festigkeitsanalysen sowie biomechanischer Testung. Zum einen sollte 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.

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 wurden in vitro an einem Versuchsstand durchgeführt und dienten der Beurteilung unterschiedlichster Implantationsparameter, wie z.B. dem Implantatdesign, der Implantatausrichtung sowie der 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 liegt in einer durch die Operation hervorgerufenen 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 jedoch  nur abgeschätzt werden, wodurch Abweichungen zur zuvor durchgeführten Planung nicht zu vermeiden sind. Da es derzeit keine Möglichkeit gibt, eine intraoperative Messung der Beinlänge durchzuführen, basiert der Erfolg der Operation allein auf der guten Planung und der Erfahrung des Operateurs. Aus diesem Grund 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 wird, beim Heben und Senken des Beins eines liegenden Patienten getrackt. Durch sphärisches Fitting der dabei aufgezeichneten 3D-Koordinaten kann letztendlich auf die Länge des Beins und dessen Hüftrotationszentrum geschlossen werden.

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, wurde eine modulare Hüfttotalendoprothese inklusive eines Messsystems zur Detektion der genauen Beinlänge entwickelt. In diesem Zusammenhang wurden im Bereich der modularen Hüfttotalendoprothese drei neuartige Schnittstellenvarianten entwickelt und getestet, wobei sich jede einzelne als geeignete Verbindung herausstellte. Letzten Endes erwies sich jedoch eine drehende Schnittstellenvariante als besonders geeignet, da sie alle relevanten Testprozeduren erfolgreich bestand. Das Messsystem basiert wiederum auf verschiedenen berührungslosen Messprinzipien (optische Bildkorrelation in Kombination mit Positions- und Beschleunigungssensoren), wodurch es sowohl Messungen am idealisierten als auch am humanen Bein ermöglichte. 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 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.

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 ansteuern und reagiert rein reflektorisch, was eine spezielle Therapierung unabdingbar macht. Die Anwendung von dosierten physischen Beanspruchungen im Rahmen der Prävention, Rehabilitation und Therapie ist somit eine der Hauptmethoden der modernen medizinischen Trainings- bzw. Sport- und Physiotherapie. Sie dient dabei der Erhaltung sowie Wiederherstellung der Leistungsfähigkeit der Skelettmotorik. Daher war es Ziel dieser Probandenstudie, eine Evidenz für das Vorliegen eines Behandlungseffekts des computergestützten Test- und Trainingssystems Centaur (BfMC GmbH) nachzuweisen.

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