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Mit Mathe passt’s besser

Implantate: Mathematische Verfahren verbessern Design
Mit Mathe passt’s besser

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3D-Modelle und spezielle mathematische Verfahren können das Design und das Einheilen von Körperimplantaten verbessern. Das zeigen Ergebnisse eines Translational Research-Projekts des Wissenschaftsfonds FWF.

In dem Projekt wurden grundlegende wissenschaftliche Erkenntnisse der Mathematik, Medizin und Computerwissenschaft mit dem Ziel vereint, Prothesen für Schultergelenke individuell zu optimieren. Unter Leitung von Dr. Karl Entacher von der Fachhochschule Salzburg und Dr. Peter Schuller-Götzburg von der Paracelsus Medizinischen Privatuniversität Salzburg wurden dabei zunächst Computermodelle des menschlichen Schultergelenks berechnet, die in der Folge als Grundlage analytischer Simulationen verschiedener Belastungsbedingungen dienten.

Zunächst setzte das Team für die Erstellung der Computermodelle bildgebende Verfahren ein. Mittels Computertomografie erstellten die Forscher schichtweise Bilder menschlicher Schultergelenke. Dazu Dr. Entacher: „Mit diesen Bilddaten konnten wir für einzelne Patienten computergenerierte 3D-Modelle des individuellen Schultergelenks schaffen, die Grundlage unserer weiteren Analyse.“
Diese weitere Analyse beruhte auf einem mathematischen Verfahren, das als Finite-Elemente (FE)-Methode bezeichnet wird. Dabei werden die zu analysierenden Objekte in kleinen – aber endlichen – Einheiten dargestellt. Deren Verhalten kann dann numerisch berechnet und unter Berücksichtigung von Variablen wie Materialbeschaffenheit und Belastungen, aber auch von Grenzbedingungen der Beweglichkeit simuliert werden. Dabei können unterschiedlichste Bedingungen modelliert werden. Dr. Entacher erklärt: „Unser Ziel war es, verschiedene Positionen und unterschiedliche Winkelstellungen des Implantats im Körper sowie auch die anatomischen Voraussetzungen verschiedener, individueller Patienten zu simulieren.“ Tatsächlich war das Modell so ausgeklügelt, dass verschiedene Gewebearten wie Weichgewebe oder unterschiedliche Knochenbereiche selektiert werden konnten. Auch waren virtuelle Schnitte zum beliebigen Verschieben von Knochen- und Implantatteilen möglich. Insgesamt konnten so wertvolle Daten für eine patientenspezifische Optimierung von Schulter- sowie auch Zahnimplantaten gewonnen werden, die zukünftigen Patienten schon vor einem Eingriff wichtige Informationen zur Positionierung, dem Typ oder dem Verhalten des Implantats geben können.
Das Projekt zeigt beispielhaft den akuten Nutzen von Forschungsergebnissen aus dem Translational Research-Programm, das mit dem 2. Quartal 2012 eingestellt wurde.
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