Wahl der Schnittebene für den Schienbeinknochen (Tibia)

Bei fortgeschrittenem Verschleiß oder bei hochgradiger Zerstörung von Gelenkflächen werden künstliche Gelenkprothesen eingesetzt. Neben Hüftgelenkprothesen sind totale Knieprothesen relativ häufig notwendig, weil das Kniegelenk stark belastet und beispielsweise bei Übergewicht permanent überbelastet wird. Bei einer schlechten Positionierung der Gelenkprothese, ist die Funktion des Gelenks, nämlich Kräfte zwischen Knochen zu übertragen, nicht mehr so gewährleistet, dass die Knochen in natürlicher Weise belastet werden.

Virtueller Schnitt des Schienbeinknochens (Tibia)

Die Folge ist zwar ein Umbau des hoch adaptiven Knochengewebes, aber dies führt sehr oft zu Komplikationen nach der Operation. Deshalb werden  bei  Knieprothesenoperationen zunehmend sogenannte Navigationssysteme zur genaueren Positionierung der Prothesenteile an den beteiligten Knochen eingesetzt. Bisherige Navigationssysteme nutzen rein geometrische Informationen. Zukünftig werden jedoch zusätzlich biomechanische Patientendaten in die  Operationsplanung einbezogen, was auf Basis innovativer Bildgebungsverfahren und leistungsfähiger biomechanischer Computersimulationen möglich ist. 

Wahl der Größe der Tibia-Platte

Entsprechende Verfahren zur wesentlichen Verbesserung der Navigationssysteme werden am Fraunhofer ITWM gemeinsam mit Wissenschaftlern aus Catania und der Fa. Lima-Lto spa (Italien) entwickelt. Das Ziel des Projektes ist es,  die Lebensqualität des Patienten zu verbessern, Komplikationen und Folgeoperationen zu vermeiden  sowie Rehabilitationszeiten zu verkürzen. Die entsprechenden biomechanischen Modelle berücksichtigen die individuellen Eigenschaften der Knochen des Patienten und der Prothese.

Visualisierung der Deformation des Schienbeinknochens unter Druckbelastung (z.B. Sprung) bei dieser Wahl der Tibia-Platte

Eine besondere Bedeutung hat die Kontaktzone zwischen Knochen und Prothese. Die lokale mechanische Beanspruchung der Kontaktzone erzeugt biologische Reize, die zum Knochenaufbau, d.h. zum Einwachsen der Prothese führen. Gerade für die Analyse dieser Zone werden adäquate Modelle, welche die Mikrostruktur der Prothesenoberfläche und der Knochen berücksichtigen, entwickelt. Die so genannten mechanischen Kontaktprobleme für das Prothese-Knochen- System werden mit der Finite-Elemente-Methode  (FEM) numerisch gelöst. Durch den Einsatz spezieller effizienter Algorithmen können in kurzer Zeit zahlreiche Varianten von Prothese- Knochen-Systemen simuliert werden.

Eine benutzerfreundliche graphische Oberfläche soll dem Chirurg helfen, die Operation des Knochens und die Positionierung der Prothese zuerst virtuell zu realisieren und die mechanische Beanspruchung des Prothese-Knochen-Systems per Computersimulation zu testen. Solche virtuelle Operationen können mehrmals ohne Schmerzen für den Patienten durchgeführt werden, um die beste Entscheidung zu treffen.