Berufsverband Niedergelassener Chirurgen e.V.

Implantat nach Maß: Patientenspezifische Therapie macht Frakturheilung berechenbar

Forschende der Universität des Saarlandes und des Deutschen Forschungszentrums für Künstliche Intelligenz (DFKI) haben eine personalisierte Therapie entwickelt, dank derer sie jedem Patienten das optimale Implantat auf den Knochen maßschneidern können, das individuellen Belastungen standhält und die Heilung unterstützt. Ziel ist es einer Mitteilung des DFKI zufolge, Komplikationen bei der Heilung von Fibula- und Tibiafrakturen zu vermeiden, wie sie nach Motorrad-, Sport- oder Schiunfällen auftreten können.

Je nachdem wie der Knochen verdreht, gehebelt, gebogen oder gestaucht wurde, sei jeder Bruch anders: vom schrägen Bruch mit großen Stücken, über den Spiralbruch bis hin zur Trümmerfraktur. „Bei der Operation setzt die Medizin bislang auf Standardimplantate“, erklärte der Ingenieurwissenschaftler Prof. Stefan Diebels von der Universität des Saarlandes. Üblicherweise werde eine Schiene in Standardgrößen mit den Knochenstücken verschraubt. Wie viele Schrauben der Chirurg verwendet und wo diese platziert werden, entscheide er aufgrund seiner Erfahrungswerte.

Das neue Verfahren setzt auf Implantate, die an den individuellen Bruch angepasst sind. Mit den Methoden der Technischen Mechanik, Informatik und Bildverarbeitung lasse sich jede Fraktur genau bestimmen. Hierfür erforschte das Team, welche Kräfte im gebrochenen Unterschenkelknochen wirken und wie Belastungsmuster des Knochens und des Implantats bei typischen Situationen wie beim Gehen um Kurven, über Treppen, beim Hinsetzen oder Springen aussehen. Solche Belastungsmuster hätten wesentlichen Einfluss darauf, wie eine Fraktur später heilt, heißt es in der Mitteilung des Forschungszentrums. „Daraus, wie die Lastverteilung im spezifischen Bruch sein wird, welche Kräfte hier wirken, können wir Rückschlüsse ziehen, wie das Implantat für die individuelle Frakturgeometrie exakt aussehen muss, um die Heilung optimal zu unterstützen und auch wie viele Schrauben tatsächlich an welcher Stelle notwendig sind“, erläuterte Prof. Diebels.

Die am Projekt beteiligten Informatiker werteten hierfür zahlreiche Computertomographie-Datensätze echter Brüche aus: Sie brachten dem Computer bei, auf den Aufnahmen wie ein erfahrener Chirurg Gewebe, Luft, Metall oder störende Artefakte zu unterscheiden. Flankierend sammelten die Ingenieure in einer Vielzahl von Versuchen und Ganganalysen Belastungsdaten echter Knochen, die erst gebrochen und dann im Versuchsstand vielfältig belastet wurden. Mit den Erkenntnissen trainierten sie neuronale Netze und überführten alles in simulationstaugliche 3D-Modelle, an denen die Belastungsverteilung sichtbar wird.

Das Team interessierte sich den Angaben zufolge vor allem dafür, was bei Belastung im Frakturspalt passiert: Um zu heilen, braucht der Knochen hier eine gewisse Belastung, sonst fehlt der Wachstumsanreiz. Zu viel aber schadet. Das Implantat müsse daher so gestaltet sein, dass im Frakturspalt Mikrobewegungen erfolgen können. Die Simulationen würden durch Künstliche Intelligenz ergänzt, die eine schnelle und automatisierte Auswertung der Modelle unterstützt. So können jetzt Brüche und Implantate individuell auf Belastbarkeit an den kritischen Stellen überprüft und so das ideal geformte Implantat berechnet werden, dass dann 3D-gedruckt werden kann.

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