Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Optimierung künstlicher Gelenke erstmals durch Roboter gestützte Tests und Computersimulation

21.12.2011
Über 400.000 Menschen erhalten in Deutschland jährlich ein neues Hüft- oder Kniegelenk. Doch nach der Operation kommt es in einzelnen Fällen zu Luxationen (Ausrenkungen) oder zu Infektionen der Hüftendoprothese.

Auch mit einem neuen Kniegelenk sind Patienten nicht immer zufrieden, weil sie nach der Operation unklare Schmerzen haben. Prof. Dr. Rainer Bader vom Forschungslabor für Biomechanik und Implantattechnologie der Orthopädischen Klinik und Poliklinik der Universität Rostock und Prof. Dr. Christoph Woernle vom Lehrstuhl für Technische Mechanik und Dynamik der Universität Rostock haben mit ihrem zehnköpfigen Forscherteam einen für Deutschland bislang einmaligen Forschungsansatz entwickelt.

Der Rostocker Forschungsansatz beruht auf einer Kopplung von Roboter gestützten Testverfahren für künstliche Gelenke und Computersimulationen. Mit Hilfe von Robotern können aufwendige Tests an neuen Generationen künstlicher Gelenke durchgeführt werden, um mittelfristig durch optimierte Implantat-Designs mögliche Instabilitäten und Abnutzungsprozesse im künstlichen Gelenk zu verhindern bzw. zu verzögern. Das Verhalten von künstlichen Gelenken (Endoprothesen) und Knochenimplantaten im menschlichen Körper wird vor der klinischen Verwendung im Vorfeld zunehmend virtuell, also an Computermodellen, getestet. Die Kombination aus Roboter gestütztem Testverfahren und Computersimulation für Implantate gibt es bislang nicht. Deshalb stößt diese Forschung auch international auf großes Interesse.

„Die technische Herausforderung besteht darin, eine reale Endoprothese virtuell in die Computersimulation mit kontinuierlicher Datenrückführung einzubinden“, sagt Prof. Bader. Mit der so genannten Hardware-in-the-Loop Simulation können die Forscher sehen, wie sich künstliche Gelenke im Körper unter verschiedenen Belastungen und Randbedingungen mit Berücksichtigung der Muskulatur und des Kapsel-Bandapparates verhalten. Dazu wird die Endoprothese mit einem Roboter nach Vorgaben des Simulationsrechners bewegt und belastet. Der Roboter erfasst die tatsächlich entstehenden Bewegungen und auftretende Kräfte. Weil die Messungen in den virtuellen Menschen zurückgespeist werden, kommt es zu ständigen und gegenseitigen Wechselwirkungen mit der im Roboter befestigten realen Endoprothese und dem virtuellen Patienten.

„Wir nutzen bei unseren Tests mit dem virtuellen Menschen reale Prothesen“, sagt Professor Christoph Woernle. Roboter und Simulationsrechner sind über einen Datenaustausch miteinander verbunden. So lässt sich genau erkennen, wie die Endoprothese sich im menschlichen Körper verhalten würde. Der Computer liefert den Daten zu Bewegungen und Belastungen des Implantats im Körper.

Die Rostocker Forscher haben dazu eine Kooperation mit einem Forschungsinstitut in San Diego (USA) und einem Institut an der Technischen Universität in München aufgebaut. Aus den USA erhalten die Forscher reale Bewegungs- und Belastungsdaten von künstlichen Gelenken, aus München mathematische Beschreibungen über das Verhalten von Muskeln, Sehnen und Bändern beim Patienten. Der virtuelle Patient wird beispielsweise mit konkreten Daten wie Körpergröße und Gewicht bestückt. So lässt sich die ideale und Patienten gerechte Beschaffenheit eines Implantats errechnen.

Für die Rostocker Forscher stehen zwei wesentliche numerische Simulationsverfahren zur Verfügung: die Finite-Elemente-Analyse und die Mehrkörpersimulation. „Deren praktische Anwendung im Klinikalltag steckt allerdings noch in den Kinderschuhen. Das ist ein relativ neues Gebiet, diese Art von Forschung direkt mit der klinischen Anwendung zu verbinden“, erklärt Professor Bader, der selbst Humanmediziner und Diplom-Ingenieur ist. Virtuelle Simulationen werden in der klinischen Praxis bis jetzt vor allem bei der Schadens- und Fehleranalyse eingesetzt. Wenn es etwa bei einem Patienten zu Beschwerden mit der Endoprothese kommt, kann das Problem per Computer zusammen mit den Patientendaten analysiert werden. Für Bader nur der Anfang: Das Rostocker Forscherteam möchte den virtuellen Patienten weiterentwickeln und sich nach Abschluss seiner Forschung zu Hüft- und Knieimplantaten den Problemen an Bandscheibe und Wirbelsäule widmen.

„Das Forschungsvorhaben benötigt einen bestimmten Zeithorizont“, sagt Prof. Bader. Er ist daher froh, dass die bislang im Projekt geschaffenen Testmöglichkeiten der realen Situation des Patienten sehr nahe kommen. „Genauigkeit und Validität sind nun mal oberste Prinzipien für eine fundierte Forschung“. In einem Jahr sollen erste klinisch verwertbare Ergebnisse vorliegen.

Kontakt:
Universität Rostock
Medizinische Fakultät
Orthopädische Klink und Poliklinik
Prof. Dr. Rainer Bader
Fon: +49 (0)381 494 9337
eMail: rainer.bader@med.uni-rostock.de
Fakultät für Maschinenbau und Schiffstechnik
Prof. Dr. Christoph Woernle
Fon: +49 (0)381 498 9360
eMail: christoph.woernle@uni-rostock.de
Presse+Kommunikation
Dr. Ulrich Vetter
Fon: +49 (0)381 498 1013
eMail: ulrich.vetter@uni-rostock.de

Ingrid Rieck | Universität Rostock
Weitere Informationen:
http://www.uni-rostock.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Bessere Anwendungsmöglichkeiten für Laserlicht
28.03.2017 | Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

nachricht Biegsame Touchscreens: Neues Herstellungsverfahren für transparente Elektronik verbessert
28.03.2017 | Universität des Saarlandes

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Quantenkommunikation: Wie man das Rauschen überlistet

Wie kann man Quanteninformation zuverlässig übertragen, wenn man in der Verbindungsleitung mit störendem Rauschen zu kämpfen hat? Uni Innsbruck und TU Wien präsentieren neue Lösungen.

Wir kommunizieren heute mit Hilfe von Funksignalen, wir schicken elektrische Impulse durch lange Leitungen – doch das könnte sich bald ändern. Derzeit wird...

Im Focus: Entwicklung miniaturisierter Lichtmikroskope - „ChipScope“ will ins Innere lebender Zellen blicken

Das Institut für Halbleitertechnik und das Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, beide Mitglieder des Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA), der Technischen Universität Braunschweig, sind Partner des kürzlich gestarteten EU-Forschungsprojektes ChipScope. Ziel ist es, ein neues, extrem kleines Lichtmikroskop zu entwickeln. Damit soll das Innere lebender Zellen in Echtzeit beobachtet werden können. Sieben Institute in fünf europäischen Ländern beteiligen sich über die nächsten vier Jahre an diesem technologisch anspruchsvollen Projekt.

Die zukünftigen Einsatzmöglichkeiten des neu zu entwickelnden und nur wenige Millimeter großen Mikroskops sind äußerst vielfältig. Die Projektpartner haben...

Im Focus: A Challenging European Research Project to Develop New Tiny Microscopes

The Institute of Semiconductor Technology and the Institute of Physical and Theoretical Chemistry, both members of the Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA), at Technische Universität Braunschweig are partners in a new European research project entitled ChipScope, which aims to develop a completely new and extremely small optical microscope capable of observing the interior of living cells in real time. A consortium of 7 partners from 5 countries will tackle this issue with very ambitious objectives during a four-year research program.

To demonstrate the usefulness of this new scientific tool, at the end of the project the developed chip-sized microscope will be used to observe in real-time...

Im Focus: Das anwachsende Ende der Ordnung

Physiker aus Konstanz weisen sogenannte Mermin-Wagner-Fluktuationen experimentell nach

Ein Kristall besteht aus perfekt angeordneten Teilchen, aus einer lückenlos symmetrischen Atomstruktur – dies besagt die klassische Definition aus der Physik....

Im Focus: Wegweisende Erkenntnisse für die Biomedizin: NAD⁺ hilft bei Reparatur geschädigter Erbinformationen

Eine internationale Forschergruppe mit dem Bayreuther Biochemiker Prof. Dr. Clemens Steegborn präsentiert in 'Science' neue, für die Biomedizin wegweisende Forschungsergebnisse zur Rolle des Moleküls NAD⁺ bei der Korrektur von Schäden am Erbgut.

Die Zellen von Menschen und Tieren können Schäden an der DNA, dem Träger der Erbinformation, bis zu einem gewissen Umfang selbst reparieren. Diese Fähigkeit...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Industriearbeitskreis »Prozesskontrolle in der Lasermaterialbearbeitung ICPC« lädt nach Aachen ein

28.03.2017 | Veranstaltungen

Neue Methoden für zuverlässige Mikroelektronik: Internationale Experten treffen sich in Halle

28.03.2017 | Veranstaltungen

Wie Menschen wachsen

27.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Quantenkommunikation: Wie man das Rauschen überlistet

29.03.2017 | Physik Astronomie

Von Agenten, Algorithmen und unbeliebten Wochentagen

28.03.2017 | Unternehmensmeldung

Hannover Messe: Elektrische Maschinen in neuen Dimensionen

28.03.2017 | HANNOVER MESSE