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 Mikroplastik in Meeren: Hochschule Niederrhein forscht an biologisch abbaubarer Sport-Kleidung
18.09.2017 | Hochschule Niederrhein - University of Applied Sciences

nachricht Flexibler Leichtbau für individualisierte Produkte durch 3D-Druck und Faserverbundtechnologie
13.09.2017 | Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: The pyrenoid is a carbon-fixing liquid droplet

Plants and algae use the enzyme Rubisco to fix carbon dioxide, removing it from the atmosphere and converting it into biomass. Algae have figured out a way to increase the efficiency of carbon fixation. They gather most of their Rubisco into a ball-shaped microcompartment called the pyrenoid, which they flood with a high local concentration of carbon dioxide. A team of scientists at Princeton University, the Carnegie Institution for Science, Stanford University and the Max Plank Institute of Biochemistry have unravelled the mysteries of how the pyrenoid is assembled. These insights can help to engineer crops that remove more carbon dioxide from the atmosphere while producing more food.

A warming planet

Im Focus: Hochpräzise Verschaltung in der Hirnrinde

Es ist noch immer weitgehend unbekannt, wie die komplexen neuronalen Netzwerke im Gehirn aufgebaut sind. Insbesondere in der Hirnrinde der Säugetiere, wo Sehen, Denken und Orientierung berechnet werden, sind die Regeln, nach denen die Nervenzellen miteinander verschaltet sind, nur unzureichend erforscht. Wissenschaftler um Moritz Helmstaedter vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt am Main und Helene Schmidt vom Bernstein-Zentrum der Humboldt-Universität in Berlin haben nun in dem Teil der Großhirnrinde, der für die räumliche Orientierung zuständig ist, ein überraschend präzises Verschaltungsmuster der Nervenzellen entdeckt.

Wie die Forscher in Nature berichten (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005), haben die...

Im Focus: Highly precise wiring in the Cerebral Cortex

Our brains house extremely complex neuronal circuits, whose detailed structures are still largely unknown. This is especially true for the so-called cerebral cortex of mammals, where among other things vision, thoughts or spatial orientation are being computed. Here the rules by which nerve cells are connected to each other are only partly understood. A team of scientists around Moritz Helmstaedter at the Frankfiurt Max Planck Institute for Brain Research and Helene Schmidt (Humboldt University in Berlin) have now discovered a surprisingly precise nerve cell connectivity pattern in the part of the cerebral cortex that is responsible for orienting the individual animal or human in space.

The researchers report online in Nature (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005) that synapses in...

Im Focus: Tiny lasers from a gallery of whispers

New technique promises tunable laser devices

Whispering gallery mode (WGM) resonators are used to make tiny micro-lasers, sensors, switches, routers and other devices. These tiny structures rely on a...

Im Focus: Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas

Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.

Graphen ist wohl die exotischste Form von Kohlenstoff: Alle Atome sind untereinander nur in der Ebene verbunden und bilden ein Netz mit sechseckigen Maschen,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

11. BusinessForum21-Kongress „Aktives Schadenmanagement"

22.09.2017 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zum Biomining ab Sonntag in Freiberg

22.09.2017 | Veranstaltungen

Die Erde und ihre Bestandteile im Fokus

21.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

11. BusinessForum21-Kongress „Aktives Schadenmanagement"

22.09.2017 | Veranstaltungsnachrichten

DFG bewilligt drei neue Forschergruppen und eine neue Klinische Forschergruppe

22.09.2017 | Förderungen Preise

Lebendiges Gewebe aus dem Drucker

22.09.2017 | Biowissenschaften Chemie