CT/MRI basierte 3D-Modelle zur Simulation von Implantaten

Ziel dieses Projekts ist es 3D-Modelle von Patienten basierend auf Computertomographie- (CT) oder Magnetresonanztomographie- (MRT) Daten zu generieren, und diese mittels der Finite - Elemente (FE) Methode zu analysieren. Die individuellen anatomischen Gegebenheiten des Patienten können so berücksichtigt und analysiert werden. Mit Hilfe dieser Modelle soll die Belastung im Knochen und in Verbindungsschichten nach Einbringen von Implantaten berechnet werden. Es soll das Einheilverhalten der Implantate verbessert werden und das Implantat - Design nach den anatomischen Gegebenheiten optimiert werden. Die geringe Schichtdicke moderner CT-Geräte ermöglicht es sehr genaue Modelle mit allen wichtigen anatomischen Gegebenheiten darzustellen. Die CT-Daten können segmentiert und zu einem virtuellen 3D-Modell umgewandelt werden. An diesem Modell können verschiedene Gewebearten wie kompakter-, spongioser Knochen, Knorpel oder Weichgewebe selektiert werden. Die Modelle können virtuell an beliebigen Stellen geschnitten werden, Knochenteile können verschoben oder entfernt und Implantate in den Knochen integriert werden. Im beantragen Projekt sollen speziell für Schultergelenke und verschieden Schultergelenksprothesen detaillierte Analysen durchgeführt werden um verschiedene Patienten und verschiedene Winkel zwischen der ventralen und artikulären Fläche sowie verschiedene Positionen der Implantate zu vergleichen. Grundlagen für die Simulationen bilden genaue Materialangeben sowie Belastungsmodelle und Grenzbedingungen des kinematischen und dynamischen Verhaltens des Schultermechanismus aus aktuellen Studien. Auf Grund der präzisen und komplexen Erstellung von individuellen 3D-FE Modellen von Patienten können bestehende Implantatsysteme verbessert werden. Die Entwicklung neuer Implantatsysteme kann frühzeitig optimiert werden und die Entwicklungszeit verkürzt werden und die Implantatsysteme realitätsnah vor dem klinischen Einsatz erprobt werden. Die verwendete Software erlaubt eine rasche Adaptierung der Modelle sowie Einfügen des virtuellen Implantates. Die Möglichkeit der Entwicklung von individuellen patientenspezifischen Implantaten und CAD/CAM gesteuerte Herstellung wird somit möglich. Forscherteam (Expertise im Projekt): Univ.-Doz.Dr. Karl Entachera (Mathematik und Scientific Computing, Projekt Leiter) Dr. Alexander Petutschnigga (Materialanalyse mittels CT/MRI Daten) Prim. Univ.-Prof. Dr. Herbert Resch b (Medizin, Schulterchirurgie, Implantatentwicklung) DDr. Peter Schuller-Götzburg b (Biomechanik, FE-Analyse und Medizinische Anwendungen) Ao.Univ.-Prof. Dr. Walter Bauer c (Numerische Mathematik, FE-Methode) Doktorats-StudentIn N.N a (Medizinische Bildbearbeitung in 3D) Zwei Diplom-Studierende N.N (FE-Analyse bei medizinischen Anwendungen) a Fachhochschule Salzburg GmbH, Salzburg, Austria (http://www.fh-salzburg.ac.at) b Paracelsus Private Medical University (PMU), Salzburg, Austria (http://www.pmu.ac.at) c Fachbereich für Mathematik, Universität Salzburg (http://www.sbg.ac.at)

Abstract: Den Nutzen grundlegender wissenschaftlicher Erkenntnisse können Menschen mit Implantaten bald am eigenen Körper spüren. Das zeigen Ergebnisse des Translational Research-Projekts L 526-B05. 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 vom Computertomographen erfasst und zur Generierung von 3D-Modellen genutzt. Diese wurden mittels der sogenannten Finite-Elemente Methode analysiert und mögliche individuelle Optimierungen berechnet. In dem Projekt wurden grundlegende wissenschaftliche Erkenntnisse der Mathematik, Medizin und Computerwissenschaft mit dem Ziel vereint, Prothesen für Schultergelenke individuell (patient specific) zu optimieren. Dabei wurden 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 Computertomographie schichtweise Bilder menschlicher Schultergelenke erstellt. Moderne Tomographieverfahren erlauben es ein gesamtes Schultergelenk schichtweise aufzunehmen, wobei die heute möglichen Schichtdicken eine exzellente Auflösung ermöglichen. Mit diesen Bilddaten konnten wir Computer-generierte 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 analysierende Objekte in kleine aber endliche Einheiten dargestellt. Deren Verhalten können 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. Ziel war es, verschiedene Positionen und unterschiedliche Winkelstellungen des Implantats im Körper sowie auch die anatomischen Voraussetzungen verschiedener, individueller Patienten zu simulieren. Die Modelle sind so komplex, dass verschiedene Gewebearten wie Knochen oder Weichgewebe selektiert werden konnten. Weiters sind virtuelle Schnitte zum beliebigen Verschieben von Knochen- und Implantaten möglich. Insgesamt konnten so wertvolle Daten für eine patientInnenspezifische Optimierung von Schulterimplantaten gewonnen werden, die zukünftigen PatientInnen schon vor einem Eingriff wichtige Informationen zum Implantatstyp oder verhalten geben können.