PSchIAFSim: Prozesskette zur digitalen Gestaltung von patientenindividuellen Schulterimplantaten unter Verwendung der Additiven Fertigungstechnologie und einer präoperativen Simulation

Ziel des Forschungsvorhaben ist, die Neuentwicklung einer digitalen Toolbox für patientenindividuelle Schulterimplantate mit angepasster Geometrie und mechanischer Festigkeit, welche additiv (umgangssprachlich „3D-Druck“) gefertigt werden sollen. Aus medizinischer Sicht soll damit eine Reduzierung von Folgeeingriffen durch patientenindividuelle Schulterimplantate erreicht werden sowie der Planungsprozess für den Operateur verbessert und erleichtert werden.

Hintergrund des Projekts

Mehr als ein Drittel von operativ eingesetzten Schulterimplantaten müssen aufgrund von Instabilität der Prothese einem Folgeeingriff unterzogen werden. Untersuchungen haben gezeigt, dass die Hauptursache für die Instabilität zumeist von den mechanischen sowie geometrischen Eigenschaften zwischen Implantat und Knochen abhängt. Standardisierte Schulterimplantate verursachen erhöhte Grenzflächenspannungen und Relativbewegungen, welche letztlich zu einer Lockerung des Implantats, Anschlussfrakturen und einer geringeren Positionsstabilität führen.

Mittels der patientenindividuellen Anpassung der Implantate in Bezug auf die Festigkeit und Geometrie, sollen erläuterte Probleme präventiv unterbunden werden.

Projektziel

Das Projektziel umfasst die Entwicklung einer automatisierten Prozesskette zur Herstellung von patientenindividuellen Schulterimplantaten. Im Sinne der patientenindividuellen Herstellung des Implantats soll basierend auf bildgebenden Daten die Geometrie und Festigkeit des Implantats an die individuellen Gegebenheiten des Patienten, mithilfe von präoperativen Computersimulationen, adressiert werden. Im zweiten Schritt soll diese Prozesskette automatisiert realisiert werden, sodass lediglich die Bereitstellung der patientenbezogenen Bildgebung und die Arbeitsschritte nach der additiv Fertigung manuell erfolgen müssen.

Projektablauf

Der Projektablauf ist in zwei Bereiche unterteilt. Die Grundlagenebene beinhaltet die erforderlichen Prozessschritte von der Aufbereitung der medizinischen Daten - über das Schnittstellenmanagement für die zielgesetzte automatisierte Prozesskette - bis zur Konstruktionsmethodik patientenindividueller Implantate. Anschließend wird die Grundlagenebene verlassen und die Inhalte in die übergeordnete Validierungsebene überführt. Hierbei werden die erarbeiteten Methoden zusammengeführt und an einem realen Bauteil validiert.

Innovation

Die wissenschaftliche bzw. technische Innovation in diesem Forschungsvorhaben stellt einen vollständig digitalen Entwicklungsprozess dar, welcher für dreidimensionale patientenindividuelle Geometrie und Festigkeiten des Implantates plant, positioniert und final die Fertigungsdaten generiert. Momentan wird eine Standardprothese für den Patienten ausgewählt, welche sich nur in der Größe und ggf. durch den Hersteller unterscheidet. Eine individuelle Anpassung der Geometrie und der Festigkeit auf der „Knochen/Implantat“-Inferfaceseite ist derzeit auf dem Markt nicht vorhanden.

Vor allem die digitale Prozesskette zur Planung, Auslegung und Fertigung individueller Schulterimplantate stellt einen Meilenstein dar. Aus technischer Sicht ist vor allem die Implementierung der entwickelten Methode innovativ, da unterschiedliche Datenstrukturen, Programme und Schnittstellen harmonisiert werden müssen.