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Neue Modelle und Methoden für künstliche Kniegelenke

Derzeit übersteigen die Kosten für künstliche Kniegelenke (total knee replacement, TKR) jährlich und weltweit 3,8 Mrd. EUR, was sich mit zunehmender Überalterung noch zuspitzen wird. Verbesserungen beim Design könnten dazu beitragen, Lebensdauer und Funktionsfähigkeit von Knieprothesen zu verlängern.
Neue Modelle und Methoden für künstliche Kniegelenke
Das EU-finanzierte Projekt TOTAL.KNEE (Development of a new generation of knee prostheses with enhanced lifespan features using advanced computational biomechanics) dokumentierte derzeit erhältliche Knieprothesen und mögliche Verschleißfaktoren. Zudem wurden Oberfläche und Eigenschaften des Tibiaplateaus neu gestaltet, das die Kunststoffkomponenten der Prothese trägt und fixiert,.

Mittels Finite-Elemente-Analyse wurden Implantate mehrerer Hersteller geprüft, insbesondere Form und Maße der Prothese wie Stammlänge, Durchmesser und Neigung, aber auch Befestigungsbolzen für den Beckenknochen. Dann wurden mechanische Beanspruchungen und Verschleiß für die Schienbeinoberfläche berechnet.

Mit diesen Daten wurden anschließend mehrere Geometrien erzeugt, die den Verschleiß der Prothesenoberfläche verringern sollen. Über Veränderungen am Tibiaplateau sollte auch das Risiko mechanischen Versagens geprüft und die Verbindung zwischen Knochen und Prothese beurteilt werden.

TOTAL.KNEE entwickelte eine Methode, um Geometrien anhand von CT- und MRT-Daten (Computer- bzw. Magnetresonanztomographie) zu rekonstruieren. Mithilfe von Algorithmen wurden Bilder mit niedriger Qualität verbessert und anschließend eine hybride Segmentierung vorgenommen, um Gewebe zu identifizieren. Alle Aspekte des Protokolls werden derzeit über die virtuelle Plattform BodyGiD zusammengeführt, die den menschlichen Körper und das Implantate darstellt.

Um den für eine langlebige Prothese wichtigen Knochenumbau günstig zu beeinflussen, führte TOTAL.KNEE eine Studie zum Zellverhalten durch, auf der spätere Strategien aufbauen können. Ein neuer zellulärer Automat, der das Zellverhalten simuliert, wurde im Fachblatt "Advanced Modeling and Simulation in Engineering Sciences Journal" vorgestellt.

Die Forschungsergebnisse von TOTAL.KNEE haben viele der Faktoren erklären können, die zum Verschleiß von Knieprothesen und dementsprechend kürzerer Lebensdauer führen. Mit den verbesserten Geometrien, so die Forscher des Konsortiums, können nun marktfähige Prototypen und Produkte entwickelt werden. Auch können die neuen Daten Medizinern den Nutzen von Computermodellen vor Augen führen, da das Verhalten eines Implantats im Gelenk berechnet werden kann.

Verwandte Informationen

Fachgebiete

Scientific Research

Schlüsselwörter

Kniegelenkersatz, TOTAL.KNEE, Tibiaplateau, Finite-Elemente-Analyse, Knochenumbau
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