Smarte Implantate – Simulationsgestützte Personalisierte Unfallchirurgie

Projektbeschreibung

Diaphysäre Tibiafrakturen sind eine häufige Frakturentität der unteren Extremität. Trotz der sich ständig weiterentwickelnden chirurgischen Möglichkeiten sind sie mit Verzögerungs- und Nicht-Heilungsraten von bis zu 10 Prozent und mehr verbunden. Derartige Komplikationen erfordern langwierige Behandlungen, oft verbunden mit weiteren Folgeeingriffen, die neben der hohen persönlichen Belastung auch mit direkten Behandlungskosten von über 12.000 Euro pro Patient verbunden sind und darüber hinaus indirekte Behandlungskosten verursachen, die geschätzt einen Faktor 10 höher liegen. Die Entwicklung von Nicht-Heilungen hängt von vielen Faktoren ab, die nur schwer zu beeinflussen sind: Alter, Geschlecht, Komorbiditäten, Genetik, Frakturmorphologie, sozioökonomischer Status und vieles mehr. Sobald eine Fraktur aufgetreten ist und chirurgisch behandelt wurde, ist die Heilung weitgehend abhängig von der Vaskularität und der mechanischen Frakturumgebung. Diese ist ein gemeinsames Produkt aus der gegebenen Fixationsmethode und der individuellen Aktivität des Patienten und erzeugt die interfragmentäre Bewegung („interfragmentary move IFM“), die als der einflussreichste mechanische Parameter im Heilungsprozess gilt. In moderaten Bereichen führt die interfragmentäre Bewegung zu einer erfolgreichen Frakturheilung, während eine zu niedrige oder zu hohe Bewegung zu einer Heilungsverzögerung führt, die in eine Nicht-Heilung mündet. Die Bestimmung und Analyse der interfragmentären Bewegung unter regulären klinischen Frakturbehandlungsbedingungen ist ohne spezielle Implantate, die auf hoch experimentelle klinische Studien bestimmter Frakturtypen beschränkt sind, nur schwer oder gar nicht möglich. Daher sind biomechanische Simulationen ein entscheidendes Werkzeug, um die mechanischen Fenster der Frakturumgebung zu bestimmen. Der Lasteintrag eines sich bewegenden Patienten, der als Randbedingung in die Simulationen einfließt, kann beispielsweise durch entsprechendes Monitoring verbunden mit Bewegungsanalysen auf der Basis des Körpergewichtes und der empfohlenen Belastungshöhe ermittelt werden. Derartige Szenarien erlauben den Aufbau und die Entwicklung eines Simulationsworkflows, der patienten-spezifisch die interfragmentäre Bewegung auf der Grundlage der individuellen Frakturgeometrie, der verwendeten Fixation und der im Monitoring erfassten Bewegungsdaten erlaubt. Zukünftig werden biomechanische Simulationen verstärkt genutzt werden, um beispielsweise neue Implantatsysteme unter Berücksichtigung der Frakturmechanik zu entwickeln, den potentiellen Heilungserfolg eines Patienten vorherzusagen oder um Patienten während der Physiotherapie Feedback zu geben. 

Den Ausgangspunkt des Simulationsprozesses bilden klinische 3D Bilddaten, beispielsweise CT- oder MRT-Datensätze, die in einem semi-automatischen Bildverarbeitung-Workflow segmentiert und aufbereitet werden. Anschließend werden die Bilddaten mit Hilfe eines Kalibrierungsphantoms, das während der CT-Aufnahme beigelegt wird, um die entsprechenden Knochendichte-Werte ergänzt, die in einem nachgelagerten Schritt in Materialparameter umgerechnet werden. Anschließend werden diese Informationen zusammen mit der Geometrieinformation in ein Finite Elemente Rechengitter überführt.