Endoprothesen: Sensoren liefern konkretes Wissen für die Entwickler

Signale aus der Hüfte

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Was genau in Prothesen in der Hüfte, dem Knie oder der Schulter passiert, messen Berliner Wissenschaftler mit Hilfe instrumentierter Implantate. Ihre Ergebnisse machen sie in einer Datenbank öffentlich zugänglich.

Wie stark werden unsere Gelenke belastet? Um diese Frage möglichst genau beantworten zu können, werden im Julius-Wolff-Institut der Charité Berlin klinisch bewährte Endoprothesen für verschiedene Gelenke mit mikroelektronischer Messtechnik ausgerüstet und bei kleinen Gruppen von Patienten implantiert. Das Hauptaugenmerk liegt auf den Belastungen von Hüft- und Kniegelenk, denn allein in Deutschland werden diese Gelenke bei jährlich über 200 000 Hüften und 150 000 Knien ersetzt.

Anhand der direkt in den Patienten gemessenen Gelenkbelastungen können zum Beispiel die Endoprothesen weiter optimiert werden sowie die Belastbarkeit von Frakturimplantaten oder der Gelenke nach Bandersatz bestimmt werden. Auch können Patienten mit Arthrose oder nach Gelenkersatz aufgeklärt werden, welche Aktivitäten besonders belastend sind, und die Physiotherapie kann weiter verbessert werden.
Einen miniaturisierten Telemetriesender mit vier Messkanälen für eine Hüftendoprothese hat ein Team von Ingenieuren unter der Leitung von Prof. Dr. Georg Bergmann bereits 1988 entwickelt. Diese Prothese wurde bei mehreren Patienten eingesetzt, um die Größe und Richtung der im Gelenk wirkenden Kraft zu messen.
Da einige der gemessenen Hüftbelastungen stark von den bis dahin geschätzten oder berechneten Werten abwichen, wurden weitere Gelenke für direkte Messungen in Patienten instrumentiert. Mit den ersten Ergebnissen tauchten aber auch weitere Fragestellungen auf, zum Beispiel die nach der reibungsbedingten Erwärmung der Implantate bei längeren Gehstrecken. Daher sollten bei den folgenden Untersuchungen neben den Kräften auch die Momente und damit die Reibung erfasst werden.
Während einer solchen Messung trägt der Patient eine Induktionsspule zur Energieversorgung und eine Empfangsantenne in Höhe des Implantats. Damit die gemessenen Lastkomponenten auch den entsprechenden Aktivitäten zugeordnet werden können, wird der Patient dabei mit einer Videokamera gefilmt. Eine Audiospur zeichnet die vom Implantat empfangenen Signale auf und gewährleistet somit eine Synchronizität zwischen Videobild und Gelenkbelastung.
Der Messsender wird von außen durch ein Magnetfeld mit Energie versorgt. Je nach Implantat können die Messsignale bei Radiofrequenz oder ebenfalls durch ein Magnetfeld übertragen werden. Neben der eigentlichen Messtechnik wurde der größte Entwicklungsaufwand betrieben, um die Sicherheit der Patienten zu gewährleisten.
Die Belastung des Hüftgelenks wurde bisher mit drei unterschiedlichen Implantatarten instrumentiert. Das neueste Modell misst sowohl Kräfte als auch Momente und wurde bei zehn Patienten eingesetzt. Neun weitere Patienten erhielten instrumentierte Knieendoprothesen. Auch Schulterendoprothesen, künstliche Wirbelkörper und implantierbare Fixateure für die Wirbelsäule wurden bereits implantiert.
Die Messungen beginnen immer schon am ersten postoperativen Tag während der physiotherapeutischen Rehabilitation. Im Verlauf von mehreren Jahren werden dann Alltagsaktivitäten untersucht, aber auch einige Sportarten wie Joggen, Radfahren, Krafttraining an Geräten oder Vibrationstraining.
Als Ergebnis einer Messung werden die interessanten Stellen herausgesucht und in Form kurzer Videoclips für die Bereitstellung in der Datenbank Orthoload aufbereitet. Sie zeigt die zeitlichen Verläufe der sechs Komponenten der Kräfte und Momente in drei Ebenen. Zeitgleich bewegt sich der Vektor der Belastungskraft in den drei Ebenen auf dem Gelenk, und im Videobild ist die Aktivität des Patienten zu sehen.
Ausgesuchte Übungen und die dabei gemessenen Belastungen in allen untersuchten Gelenken sind in der Datenbank Orthoload frei zugänglich. Zusätzlich zu den Dateien mit den Belastungen und Patientenvideos sind ausführliche Angaben zu den untersuchten Gelenken und eine Liste der zugehörigen Literatur abrufbar. Die Inhalte von Orthoload.com werden laufend aktualisiert und neue Ergebnisse nach der Publikation in Fachzeitschriften ergänzt. Das große Interesse an diesen Daten zeigt sich auch an der stetig steigenden Anzahl von zurzeit rund 200 täglichen Besuchern dieser Datenbank.
Dr.-Ing. Friedmar Graichen Julius Wolff Institut, Charité, Berlin
Weitere Informationen Die ausgewerteten Daten stehen in der Orthoload-Datenbank zur Verfügung: www.orthoload.com Über die instrumentierten Implantate: http://jwi.charite.de/forschung/gelenksbelastung/instrumentierte_implantate

Chip im Implantat

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Gemessen haben die Berliner Wissenschaftler mit einem Sensor im Implantat. Um den steigenden Anforderungen nach den ersten Ergebnissen gerecht zu werden und bei gleichen Abmessungen die Anzahl der Messkanäle zu erhöhen, wurde ein eigener Mikrochip entwickelt. Er beherbergt auf einer Fläche von 2,0 x 2,6 mm acht Messkanäle für Belastungssensoren im Inneren des Implantats. Ein auf dem Chip integrierter Hochfrequenzsender sendet 120 Mal pro Sekunde die Kräfte und Momente aus dem Körperinneren heraus. Durch diese schnelle Übertragung können selbst kurzzeitig auftretende Kraftspitzen erfasst werden. Die Belastungen lassen sich zeitgleich mit den Aktivitäten der Patienten auf einem Monitor darstellen, so dass sie leicht bestimmten Bewegungen zuzuordnen sind.

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