Implantat: Mit Mathematik passt's besser

Den Nutzen grundlegender wissenschaftlicher Erkenntnisse können Menschen mit Implantaten bald am eigenen Körper spüren. Das zeigen Ergebnisse eines Translational Research-Projekts des Wissenschaftsfonds FWF. In diesem wurde demonstriert, wie 3D-Modelle und spezielle mathematische Verfahren das Design und das Einheilen von Körperimplantaten patientInnenspezifisch verbessern könnten. Speziell für Schultergelenke bzw. deren Prothesen wurden dafür Daten von Computer- und Magnetresonanztomografien erfasst und zur Generierung von 3D-Modellen genutzt. Diese wurden mittels der sogenannten Finite-Elemente-Methode analysiert und mögliche individuelle Optimierungen berechnet. Das Projekt zeigt beispielhaft den akuten Nutzen von Forschungsergebnissen aus dem Translational Research-Programm, das mit dem 2. Quartal 2012 eingestellt wurde.

© Für redaktionelle Zwecke bei Nennung der Quelle kostenfrei: Karl Entacher

Grundlagenforschung ist die Basis zukünftiger Anwendungen. Programme wie das Translational Research-Programm zeigten das. Das Programm wurde bis Anfang des Jahres 2012 vom Wissenschaftsfonds FWF im Auftrag des Bundesministeriums für Verkehr, Innovation und Technologie (BMVIT) durchgeführt und beschleunigte die Umsetzung grundlegender Erkenntnisse hin zu praktischen Anwendungen. Anwendungen, die neben wirtschaftlichem Wert vor allem eine bessere Lebensqualität für Menschen schaffen. Beispiel gewünscht? – Projekt L526.


Schulterschluss: Mathematik & Medizin

In dem Projekt wurden grundlegende wissenschaftliche Erkenntnisse der Mathematik, Medizin und Computerwissenschaft mit dem Ziel vereint, Prothesen für Schultergelenke individuell (patient specific) zu optimieren. Unter Leitung von Dr. Karl Entacher von der Fachhochschule Salzburg und DDr. 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. So wurden mittels Computertomografie schichtweise Bilder menschlicher Schultergelenke erstellt. Dazu Dr. Entacher: "Moderne Tomografieverfahren erlauben es, ein gesamtes Schultergelenk schichtweise aufzunehmen, wobei die heute möglichen Schichtdicken eine exzellente Auflösung ermöglichen. Mit diesen Bilddaten konnten wir für einzelne PatientInnen computergenerierte 3D-Modelle des individuellen Schultergelenks schaffen, die Grundlage unserer weiteren Analyse."


Endliche Ergebnisse

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. Zu diesen Bedingungen meint Dr. Entacher: "Unser Ziel war es, verschiedene Positionen und unterschiedliche Winkelstellungen des Implantats im Körper sowie auch die anatomischen Voraussetzungen verschiedener, individueller PatientInnen 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 patientInnenspezifische Optimierung von Schulter- sowie auch Zahnimplantaten gewonnen werden, die zukünftigen PatientInnen schon vor einem Eingriff wichtige Informationen zur Positionierung, dem Typ oder dem Verhalten des Implantats geben können.

Zu der persönlichen Bedeutung des Projekts und der Beendigung des Translational Research-Programms meint Dr. Entacher: "Als Grundlagenforscher ist es sehr befriedigend zu erleben, wie durch die Zusammenarbeit mit MedizinerInnen sowie mit IngenieurInnen die gewonnenen Erkenntnisse zu konkreten Anwendungen werden, die anderen helfen können. Tatsächlich gibt es einem auch persönlich neue Entwicklungsperspektiven. Zusätzlich zu dieser persönlichen Erfahrung leistete das Translational Research-Programm aber einen wichtigen Beitrag zur Innovationskultur in Österreich. Ein Beitrag, der zukünftig vermisst werden wird."

Wissenschaftlicher Kontakt
Dr. Karl Entacher
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