Institut für Technologien der Biomechanik und Biomaterialien ITBB. Grundkonzepte und Anwendungsbereiche

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1 Institut für Technologien der Biomechanik und Biomaterialien ITBB Grundkonzepte und Anwendungsbereiche Institut für Technologien Prof. der Biomechanik Dr.-Ing. Andrés und Kecskeméthy

2 Potenziale Medizintechnik 1 Wirtschaftliche Potenziale der Medizintechnik: es existieren 550 Firmen allein in Nordrhein-Westfalen im weiteren Umfeld der medizintechnischen Industrie es wurden fast 13 Milliarden Euro im Jahr 2003 in Deutschland in der reinen Medizintechnik erwirtschaftet Gesamtumsatz der Medizintechnik im breiteren Sinne (Inkl. Optik und Mechatronik) betrug im Jahr 2003 knapp 35 Milliarden Euro bei rund Beschäftigten der Weltmarktanteil von Deutschland beträgt 14 Prozent (dritter Platz nach USA und Japan) Medizintechnik und Biomechanik sind dabei, weltweit zu einem bedeutenden Wirtschaftsmotor zu werden

3 Potenziale Universität Duisburg- Essen 2 Verfügbare wissenschaftliche Disziplinen für den Bereich Biomechanik und Biomaterialien an der Universität Duisburg-Essen Mechatronik (Biomechanik) Werkstoffte (Biomaterialien) Natur- Anorganische Chemie Kontinuumsmechanik Physiologie + Physiologische Chemie Ingenieurwissenschaften Neue Technologien der Biomechanik und Biomaterialien Medizin Produkt Engineering Kardiologie wissenschaften Mathematik Physik Unfallchirurgie Orthopädie

4 3 Anwendungsbeispiele Veranschaulichung der Anwendungspotenziale anhand von vier laufenden Projekten: Therapieplanung für Kinder mit spastischer Diparese Patientenspezifische Rekonstruktion der Knochenbewegung des Unterarms bei eingeschränkter Umwendbewegung Untersuchung der Bewegung von Halswirbelpaaren Virtuelle und reale Individualknochenmodelle

5 4 Anwendung 1: Therapie spastischer Diparese Einsatz von Computersimulation zur Therapiebewertung und patientenspezifischer Planung von chirurgischen Eingriffen Die engesetzte Therapie richtet sich nach dem Grad der Erkrankung: medikamentöse Behandlung (muskelrelaxierende Wirkstoffe, Botox ) Physiotherapie Ergotherapie Orthopädie Chirurgie (Sehnenverlängerung, Neurotomie, Myotomie, Osteotomie) Krankheitsgrad Minimierung des Eingriffs

6 Anwendung 1: Therapie spastischer Diparese 5 Zielsetzung: Modellreduktion nach Ganganalyse

7 Anwendung 1: Therapie spastischer Diparese 6 Bewegungsvoraussage durch direkte Dynamik (Muskelaktivierungen vorgegeben, Bewegung wird vorausberechnet)

8 Anwendung 1: Therapie spastischer Diparese 7 Klinische Ganganalyse in der Prothetik: Präoperative Messung Postoperative Vergleichsmessung Messung der Situation 4 Wo postoperativ Vergleich der verschiedenen Zugänge (Standart vs. minimalinvasiver Zugang) Vergleich der postoperativen Mobilisierung nach unterschiedlicher Therapie Beurteilung des Einwachsverhaltens und möglicher Lockerung von Prothesen

9 8 Anwendung 2: Rekonstruktion der Umwendbewegung des Unterarms Von Supination (Handfläche nach oben) nach Pronation (Handfläche nach unten) und zurück humerus ulna Ellbogen Achse radius

10 Anwendung 2: Rekonstruktion der Umwendbewegung des Unterarms 9 Hintergründe: 20 % aller Knochenfrakturen bei Kindern treten im Unterarm auf Behandlungsmethoden führen oft zu geometrischen Veränderungen der Unterarmknochen und zu Bewegungseinschränkungen 1995 lag die Rate der operativen Behandlung bei Kinder nach einer Fraktur bei 23 % 1 Entwicklungsziele: Einsatz von computergestützten Verfahren, um die Notwendigkeit von Operationen besser feststellen zu können (Reduktion von Operationskosten) Optimierung der Operationsplanung 1 Quelle: A.F. Schärli (1995)

11 Anwendung 2: Rekonstruktion der Umwendbewegung des Unterarms 10 MRT Messungen am Patienten (in vivo) automatische Konturerkennung + Optimierung Mechanisches Ersatzmodell

12 11 Anwendung 3: Physikalischer Halswirbelsimulator Täglich 550 Schleudertraumata durch Auffahrunfälle (Deutschland) Kosten für Diagnostik und Therapie: 0,5 bis 1,0 Milliarden Euro pro Jahr (Deutschland) Europaweite Kosten: 5 bis 10 Milliarden Euro pro Jahr Ursachen: Das Schleudertrauma wird meist durch einen Autounfall hervorgerufen. Sportunfällen: z. B. beim Boxen, Tauchen, Karate, Judo oder Ringen. "Vergnügungsunfälle : z. B. beim Achterbahnoder Autoskooterfahren.

13 Anwendung 3: Untersuchung von Halswirbelsäulenbelastungen 12 Computermodell der Halswirbelsäule Facet-Gelenk

14 Anwendung 3: Physikalischer Halswirbelsimulator 13 Mechatronischer Ansatz: Realisierung eines geregelten physikalischen Simulators für die Nachbildung der HWS-Bewegung 1) Zielsystem 2) Computer 3) Physikalisches Ersatzsystem Arzt

15 14 Anwendung 4: Virtuelle und reale Individualknochenmodelle Aufbereitung medizinischer Schichtbilddaten (CT, MRT) zum Volumenmodell Analyse signifikanter Bildmerkmale mit Methoden der industriellen Bildverarbeitung Reales Modell der Knochenstruktur aus Kunststoff, Holz, oder Schaum Virtuelles Modell mit unterschiedlichsten Features: Materialeigenschaften, Schnittdarstellung, etc. Aufbau einer Implantatdatenbank

16 15 Zusammenfassung Ingenieurwissenschaftliche Entwurfsmethodiken der letzten 20 Jahren können dazu beitragen, klinische Prozesse zu optimieren Am Standort Moers bestehen sehr gute Möglichkeiten, zusammen mit der Universität Duisburg-Essen innovative, medizintechnische Produkte / Dienstleistungen zu entwickeln und zu vermarkten Die Region und die Universität Duisburg-Essen haben ein hohes Potenzial, auf diesem Gebiet zu einem wichtigen Zentrum zu werden (Beispiel: Förderung einer Stiftungsjuniorprofessur für Biomechanik an der Universität Duisburg-Essen durch den Deutschen Stifterverband im Wettbewerb mit allen anderen bundesdeutschen Universitäten)