Simulation ermöglicht passgenaue Herstellung von Implantaten

Die Zahl der Menschen mit einem künstlichen Gelenk oder einer Prothese wächst. Das zeigen aktuelle Studien und hat verschiedene Ursachen. Zum einen werden die Menschen im Durchschnitt immer älter. Mit zunehmendem Alter steigt wiederum das Risiko von Gelenkerkrankungen und somit die Wahrscheinlichkeit einer Gelenkersatzoperation. Zum anderen führt vermehrtes Übergewicht zu einer steigenden Zahl von Menschen mit künstlichem Gelenk. Darüber hinaus können angeborene Fehlstellungen und Skelettschäden sowie Amputationen aufgrund einer Tumorerkrankung den Einsatz von Implantaten erfordern. Ihre Herstellung geht jedoch mit einer Reihe von Herausforderungen einher. So müssen sie den individuellen Anforderungen eines jeden Patienten gerecht werden und dabei möglichst lange Zeit im Körper bleiben können, ohne Qualitätseinbußen.

Um die Anfertigung von künstlichen Gelenken, Prothesen und Orthesen zu optimieren, haben nun Forschende am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) eine neue Software-Plattform entwickelt, die die Herstellung personalisierter Implantate mithilfe eines digitalen Zwillings ermöglicht.

Handprothese mit Ultraschallsensoren und KI

In-Silico Human Modeling Plattform

Der menschliche Bewegungsapparat ist ein sehr komplexes System aus Knochen, Muskeln, Sehnen, Bändern und Gelenken, das die Mobilität und Stabilität des Körpers überhaupt erst ermöglicht.

Für die Forschung und Entwicklung von Medizinprodukten hat die Forschungsgruppe des IPA daher eine sogenannte In-Silico Human Modeling Plattform entwickelt. Die neuartige Software ermöglicht es, den komplexen Bewegungsapparat mit detaillierten, prognosefähigen 3D-aufgelösten Menschmodellen (Muskeln, Sehnen, Bindegewebe, Ligamente, Haut) zu simulieren. So entsteht ein digitaler Zwilling des Patienten. Mit diesem können die Bewegungsabläufe sowohl vor als auch nach dem Einsatz von Implantaten simuliert und somit getestet werden. Auf diese Weise lassen sich alle Arten von Gelenkersatz, Orthesen oder Prothesen passgenau, kosteneffizient, schnell und unter Einhaltung hoher Qualitätsstandards herstellen.

Simulation optimiert Planung von Operationen

Die neuartige Simulationssoftware ermöglicht nicht nur die Anfertigung von patientengerechten Implantaten, sondern kann auch eine Unterstützung bei chirurgischen Eingriffen darstellen. Beispielsweise leiden einige Patienten nach neuromuskulären Erkrankungen wie Zerebralparesen unter muskulären Dysfunktionen des Sprunggelenks. Das heißt, sie haben oftmals Probleme mit dem Gleichgewicht und bei der Ausführung von Bewegungen. Um das muskuläre Gleichgewicht zu verbessern, kommt in manchen Fällen ein Muskel- oder Sehnentransfer oder eine Sehnenverlängerung im Sprunggelenk infrage. Um die Auswirkungen eines solchen Eingriffs vorab besser bewerten und planen zu können, kann die Simulationssoftware eingesetzt werden.

„Unsere Software-Plattform unterstützt Chirurgen bei der Planung von Eingriffen. Durch die realistischen Simulationen erhalten sie präzise Hinweise, wie sich einzelne Maßnahmen auswirken“, sagt Okan Avci, Leiter des Virtual Orthopedic Lab am Fraunhofer IPA. „Auf diese Weise lässt sich das Wissen erfahrener Ärzte konservieren. Weniger geübte Chirurgen können mit der Software lernen. Es ist auch ein Weg, Standards zu verbessern, da wir ein nachvollziehbares System etablieren.“

Simulationssoftware kann Implantat-Forschung vorantreiben

Darüber hinaus stellt sich bei jedem Implantat, das angefertigt wurde, die Frage, wie groß der eigentlich der Effekt ist. Wie gut sitzt das Implantat? Wie lange hält das Implantat? Wie wirkt es sich auf den gesamten Bewegungsapparat aus? Und ist das individuell angefertigte Medizinprodukt dem Standardprodukt tatsächlich überlegen? Um patientenspezifische Funktions- und Wirksamkeitsanalysen von Implantaten ermitteln zu können und die Forschung voranzutreiben, sind klinische Studien notwendig. Jedoch sind diese häufig mit hohen Kosten verbunden oder gestaltet sich die Suche nach geeigneten Patientengruppen schwierig. Die neue Simulationssoftware bietet eine Lösung. Sie ermöglicht die Durchführung virtueller Studien mit einer großen Probandenzahl . „Mit unseren Menschmodellen und den Simulationen kann man viele virtuelle Patientenkohorten erzeugen und unterschiedlichste Variationen an Implantaten berechnen. Unzählige Faktoren wie die Größe der Prothese, die Muskelkraft und vieles mehr lassen sich berücksichtigen“, sagt Avci. „Das wird die Evidenz vorantreiben, da man die Effekte analysieren kann.“

Damit bietet das neuartige Simulationstool der IPA-Forschenden sowohl große Vorteile für die passgenaue Herstellung und Weiterentwicklung von Medizinprodukten als auch für die Planung von operativen Eingriffen sowie für die erfolgreiche Durchführung virtueller Studien.

Die In Silico Human Modelling-Plattform wird vom 13. bis 16. November 2023 auf der MEDICA in Düsseldorf am Fraunhofer-Gemeinschaftsstand (Halle 3, Stand E74) vorgestellt.