Instrumentierte Implantate

Univ.- Prof. Georg Bergmann, Dr.-Ing. Philipp Damm

Alle Informationen zur Forschung an "Instrumentierten Implanten" erhalten Sie auf dieser und den folgenden Seiten des Julius Wolff Institut für Biomechanik und Muskuloskeletale Regeneration der Charité – Universitätsmedizin Berlin.

Die Belastung künstlicher Gelenke und anderer orthopädischer Implantate ist noch immer teilweise unbekannt. Die auf diese Implantate einwirkenden Kräfte müssen daher für viele Zwecke ermittelt werden.

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Die Forschungsziele des Julius Wolff Instituts

Erster Patient mit instrumentierter Hüftendoprothese, 1988
  • Die Sicherheit und Dauerhaftigkeit neuer und verbesserter Implantate müssen vor ihrem Einsatz bei Patienten unter realistischen Bedingungen berechnet und geprüft werden.
  • Festigkeit und Verschleiß neuer Implantate und ihre Verankerung im Knochen können nur dann optimiert werden, wenn die tatsächlichen Belastungen bekannt sind.
  • Die Patienten brauchen Hinweise, welche Aktivitäten nach einem Gelenkersatz oder nach einer Fraktur zu welchem Zeitpunkt erlaubt sind.
  • Mit sehr großen Belastungen verbundene Aktivitäten sollten natürlich auch von Patienten gemieden werden, die unter Arthrose leiden.
  • Die Physiotherapeuten benötigen Informationen über die beste Behandlung und auch über Übungen, welche kurz nach einer Operation eventuell zu große Belastungen bewirken.
  • Die Operateure und damit auch die Patienten profitieren von neuen Kenntnissen über den Einfluss der Implantat-Positionierung auf die Größe der Belastungen.
  • Trotz aller Fortschritte der Computertechnik ist es auch heute noch nur teilweise möglich, die im menschlichen Körper wirkenden Belastungen zu berechnen. Exakte Daten ermöglichen es, die Computersimulationen realistischer zu machen.

Geschichte der Forschungsprojekte

Anfang der 80er Jahre starteten Georg Bergmann, Josef Siraky und Friedmar Graichen vom Biomechanik-Labor der Freien Universität Berlin im Oskar-Helene-Heim (Klinikdirektor: Univ. Prof. Dr. med. Ulrich Weber) ein Forschungsprojekt zur direkten Messung der im Hüftgelenk wirkenden Kräfte. Die zu diesem Zweck entwickelte Mikroelektronik erlaubt es, die auf künstliche Hüftgelenke einwirkenden Kräfte dauerhaft direkt im Patienten zu messen. Die Messdaten werden dabei mit einer Telemetrie drahtlos aus dem Körperinneren heraus gesendet. Erste Messungen wurden im Jahr 1988 vorgenommen. Die Messtechnik wurde seitdem ständig verbessert.

Untersuchte Implantate

Instrumentierte Hüft-, Wirbelsäulen-, Schulter- und Knieimplantate

Bis zum Februar 2013 wurden Messungen der Belastungen an folgenden Implantaten vorgenommen:

  • 20 Implantate zur Stabilisierung der Wirbelsäule; die Studie ist abgeschlossen
  • 19 Hüftgelenkprothesen in 17 Patienten
  • 8 Schulterendoprothesen
  • 9 Knieendoprothesen
  • 5 künstliche Wirbelkörper
  • Zusätzlich zu den einwirkenden Belastungskräften wurde bei 4 Patienten auch untersucht, ob Hüftendoprothesen nach längerem Gehen evtl. so warm werden können, dass dies zu einer Lockerung der Prothesen führen kann.

Die zuständige Ethik-Kommission hat die Untersuchungen an Patienten ohne Einwände geprüft.
Alle Patienten haben den Untersuchungen und der Veröffentlichung ihrer Fotos und Videos zugestimmt.

Implantate

  • 20 Implantate zur Stabilisierung der Wirbelsäule; die Studie ist abgeschlossen
  • 19 Hüftgelenkprothesen in 17 Patienten
  • 8 Schulterendoprothesen
  • 9 Knieendoprothesen
  • 5 künstliche Wirbelkörper
  • Zusätzlich zu den einwirkenden Belastungskräften wurde bei 4 Patienten auch untersucht, ob Hüftendoprothesen nach längerem Gehen evtl. so warm werden können, dass dies zu einer Lockerung der Prothesen führen kann.

Ethik-Kommission

Die zuständige Ethik-Kommission hat die Untersuchungen an Patienten ohne Einwände geprüft.
Alle Patienten haben den Untersuchungen und der Veröffentlichung ihrer Fotos und Videos zugestimmt.

Implantatdesign

chnittmodell: Instrumentierte Tibia-Komponente

Grundlage der instrumentierten Implantate sind klinisch bewährte Modelle. Diese bieten Gewähr für einen dauerhaften Erfolg der Implantation. Innerhalb der Prothesen werden Sensoren eingebaut, mit denen Größe und Richtung der einwirkenden Kräfte und Momente gemessen werden können. Ein nur 9,5 x 6 mm großer Telemetriesender, der mit einem speziell entwickelten Chip ausgerüstet ist, überträgt die Daten per Funk aus dem Körperinneren heraus.

Sicherheit der Patienten

Simulation der Spannungen in frühem Prototyp einer instrumentierten Knieendoprothese

Um die Sicherheit der Patienten zu gewährleisten, müssen folgende Anforderungen erfüllt sein:

  1. Die instrumentierten Implantate müssen hinsichtlich Haltbarkeit und sonstiger Eigenschaften völlig den klinisch bewährten Prothesentypen entsprechen.
  2. Die Messdaten können nur per Funk aus dem Körperinneren heraus übertragen werden.
  3. Die Messelektronik muss innerhalb des Implantats hermetisch dicht verschlossen sein.
  4. Die mechanische Sicherheit der Implantate muss gewährleistet sein. Hierfür werden die Beanspruchungen im Computer simuliert. Anhand der Farben (Bild) erkennt man die am höchsten belasteten Stellen. Diese werden dann so verstärkt, bis jede Gefahr eines Bruches der Prothese ausgeschlossen ist.
  5. Die mechanische Stabilität der Implantate wird über 10 Millionen Belastungszyklen mit extrem hohen Kräften geprüft. 


Alle Sicherheitsuntersuchungen werden zusätzlich durch externe Gutachten abgesichert. Durch all dieser Maßnahmen ist sichergestellt, dass kein Patient durch die instrumentierten Implantate gefährdet wird.

Messungen

Während der Messung trägt der Patient eine Energiespule und eine Empfangsantenne in der Nähe des Implantats. Die Spule erzeugt ein Magnetfeld, welches die innere Messelektronik des Implantats mit Energie versorgt. Ohne dieses spezielle Magnetfeld ist die Elektronik im Inneren nicht aktiv und die Messprothese verhält sich genau so wie ein standardmäßiges Implantat. Im Gegensatz zum Batteriebetrieb ermöglicht dieses Prinzip der induktiven Energieversorgung zeitlich unbegrenzte Messungen.

Die Antenne empfängt die aus dem Implantat heraus gesendeten Belastungsdaten. Sie werden in einem angeschlossenen Computer verarbeitet und direkt auf einem Monitor angezeigt. So können auch Übungen entdeckt werden, welche besonders große Belastungen hervorrufen. Eine gleichzeitige Video-Aufzeichnung aller untersuchten Aktivitäten sorgt für eine umfassende Dokumentation der Messungen.

Datenauswertung

Die aufgezeichneten Belastungssignale und die dazu gehörigen Videos der Patientenaktivitäten werden zusammen analysiert. Die Kräfte werden räumlich dargestellt, hierbei sind Größe und Richtung der Belastung besonders anschaulich. Im linken Bild sieht man die je nach Größe verschieden gefärbten Kräfte an verschiedenen Gelenken. Die Kräfte und Momente werden zusätzlich in Zeitdiagrammen angezeigt und sind auch zahlenmäßig verfügbar (rechtes Bild). Zeitgleich werden die Videos angezeigt, so dass man zum Beispiel sehen kann, zu welchem Zeitpunkt einer Übung die Belastungen am größten sind.

Die zusammengefassten Messergebnisse sind aus der öffentlich frei zugänglichen Datenbank OrthoLoad abrufbar. Hierdurch können sich nicht nur Wissenschaftler und die Entwickler neuer Implantate, sondern auch Patienten, Operateure und Physiotherapeuten über die Belastungen diverser Implantate bei den verschiedensten Aktivitäten informieren (Video 918kB).

Ansprechpartner

Univ.- Prof. Dr.-Ing. Georg Bergmann

Stellv. Institutsdirektor und Projektleiter

Dr.-Ing. Philipp Damm

Wissenschaftlicher Mitarbeiter

Forschungsfinanzierung

Die Forschungsarbeiten zur Messung von Implantatbelastungen wurden finanziert von: