Per jaar krijgen in Duitsland meer dan 400.000 mensen een nieuw heup- of kniegewricht. Maar na de operatie ontstaat in een aantal gevallen luxatie (dislocatie) of een infectie van de nieuwe prothese. Ook zijn patiënten niet altijd tevreden met het nieuwe kniegewricht, omdat ze na de operatie onverklaarbare pijn hebben. Onderzoekers van de Univer-sität Rostock hebben een nieuwe benadering van het onderzoek ont-wikkeld.
De aanpak in Rostock berust op een koppeling van het door een robot ondersteunde testproces voor kunstmatige gewrichten en computersimu-laties. Met behulp van robots kunnen duurtesten van de nieuwe generatie kunstmatige gewrichten worden uitgevoerd, waardoor op termijn verbeterde implantaatontwerpen ontstaan die vormen van instabiliteit en slijtageprocessen in kunstmatige gewrichten kunnen verhinderen of vertragen.
Het gedrag van kunstmatige gewrichten (protheses) en bot implantaten in het menselijk lichaam wordt voorafgaande aan de klinische toepassing steeds vaker virtueel, dus met computermodellen, uitgetest. De combinatie van door robot ondersteunde testprocessen en computersimulaties voor implantaten bestond tot nu toe echter nog niet.
Uitdaging
De technische uitdaging is om een werkelijke prothese virtueel in te voeren in computersimulaties met constante data feedback. Met de zogenaamde ‘hardware in the loop’ simulatie zouden de onderzoekers kunnen waar-nemen, hoe kunstmatige gewrichten in het lichaam zich gedragen onder invloed van verschillende belastingen en randvoorwaarden, rekening houdend met de spieren en gewrichtskapsels.
Daartoe wordt de prothese door een robot, volgens de specificaties van de computer, belast en bewogen. De robot herkent de daaruit voortvloeiende bewegingen en de optredende krachten. Omdat de metingen in de virtuele mens worden teruggekoppeld, ontstaat er een continu wisselwerking met de aan de robot bevestigde prothese en de virtuele patiënt. De onder-zoekers gebruiken bij de testen met de virtuele mens echte protheses. Robots en simulatie computers zijn met elkaar verbonden door een data interface. Op deze manier is precies vast te stellen, hoe de prothese zich in het menselijk lichaam zou gedragen.
Dataverwerking
De onderzoekers hebben daarvoor een samenwerkingsverband met een onderzoeksinstituut in San Diego (USA) en met de Technische Universität München opgebouwd. Vanuit de USA krijgen de onderzoekers data voor de beweging en belasting van kunstmatige gewrichten. Uit München komt de wiskundige beschrijving over het gedrag van de spieren, pezen en gewrichtsbanden bij patiënten. De virtuele patiënt wordt bijvoorbeeld ‘opgebouwd’ met concrete data als lichaamsgrootte en gewicht. Op deze manier kan de ideale en op de echte patiënt toegesneden implantaat worden berekend.
Met robots en simulatietechnieken kunnen de onderzoekers het gedrag van protheses voorspellen en optimaliseren.
De onderzoekers uit Rostock beschikken over twee numerieke simulatie-processen: eindige elementenanalyse en multi body simulatie. De praktische toepassing hiervan in de klinische praktijk staat echter nog in de kinderschoenen. Het is relatief nieuw om deze vorm van onderzoek direct te koppelen aan de klinische toepassing. Virtuele simulaties worden in de klinische praktijk alleen gebruikt bij schade- en foutenanalyse. Als bij een patiënt echter problemen met de prothese ontstaan, kan dit met behulp van de computer in combinatie met de patiëntendata worden geanalyseerd.
Dat is echter slechts het begin. Het onderzoeksteam in Rostock zou de virtuele patiënt verder willen ontwikkelen en na afsluiten van het onderzoek voor de heup- en knie implantaten willen doorgaan met problemen van de tussenwervelschijven en de wervelkolom. Voor het onderzoeksproject is tijd nodig. Nauwkeurigheid en validiteit zijn nu eenmaal de hoogste principes voor een gefundeerd onderzoek, zeker als het mensen betreft.
