U. Schneider, Fraunhofer IPA: Vernetzung klinischer und medizintechnischer Forschung Tech-Transfer und Anwendung im Bereich Orthopädie 8. Unternehmensforum Baden-Württemberg Zürich Zürich, 2014-07-03 Dr. med. Urs Schneider, Fraunhofer IPA Geschäftsfeldleiter Medizin- und Biotechnik Abteilungsleiter Biomechatronische Systeme 2 FRAUNHOFER IPA INSTITUT FÜR PRODUKTIONSTECHNIK UND AUTOMATISIERUNG in Kooperation mit den Universitätsinstituten ISW und IFF Organisation Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult. Alexander Verl / Prof. Dr.-Ing. Thomas Bauernhansl Geschäftsfelder und Arbeitsgebiete: Wir produzieren Zukunft Innovativ. Interdisziplinär. Nachhaltig. Department Biomechatronic Systems Overview Department Biomechatronic Systems Orthopdic Surgery Research Examples Bionics in Medicine Motion Control Systems Virtual Orthopedic Lab Biomechanics Sensory in extension table Autoclavable Electronic Surgical Instruments Stuttgart Minneapolis Rehab Research Southampton Stuttgart Biomechanics Research SIMTECH Universität Stuttgart O-PAEDIX e.v. Metal free hip implant Elastic polymer based implants Robotic Implant Testing 1
Produktentwicklungsphase Simulationsbasierte Entscheidungsfindung im Prothesenengineering Center for Human Interface Engineering Design, Simulation, Test & Production of personalized items Motion Analysis Patient Robot Simulation Patient Robot Test Visualisierung der Bewegung FE Simulation Overlay Visualisierung Measure Human Design Simulate CAM Produce Medizintechnik Schweiz & Deutschland Große wirtschaftliche Bedeutung der Medizintechnik CH: Höchste Medizintechnik-Arbeitnehmer-Dichte in Europa (10 % der in ganz Europa in der Medtech tätigen Personen) D: Welthandelsanteil bei medizintechnischen Produkten Deutschland No. 2 (14.6%). Hoher Exportanteil CH: Medizintechnik Exportanteil >99%. D: 66%: Einzelland Hauptmarkt USA (20%). Hoher Innovationsgrad CH: Patentanmeldungen weltweit Medtech fast 16%. Tendenz steigend. Prozent.der Anmeldungen aus der Schweiz wächst kontinuierlich an und beträgt heute [EIGE 2010]. EPT: meiste Patenterteilungen 2009, 2010, 2011 in Medizintechnik. 9 FASMED-Studie 2010, BVMED 2013 10 Technology Push Socio-Economics Orthopedic Innovations Market Pull Medical Progress 11 2
U. Schneider, Fraunhofer IPA: Vernetzung klinischer und medizintechnischer Forschung Herausforderung Spezielle Märkte und Innovation: Bsp. USA Herausforderung Spezielle Märkte und Innovation: Bsp. Indien Herausforderung Spezielle Märkte und Innovation: Bsp. Indien Dokumentation und Qualitätskontrolle im OP 1 Trend: Computer assistiere Chirurgie für Daten-basierte Entscheidungen und für die Qualitätssicherung im Operationssaal Erster Extensionstisch für die Orthopädie und Unfallchirurgie der unteren Extremität mit integrierter Messfunktion. Zielsetzung: Prozessoptimierung, Schutz des Patienten vor mechanischer Überlastung, Prozessdokumentation. 17 3
Dokumentation und Qualitätskontrolle im OP 2 Trend: Daten-basierte Entscheidungen und Qualitätssicherung im Operationssaal Bionik 1: Sicheres, kaltes Fräsen im OP Entwicklung eines Bohrers nach dem Prinzip der Holzwespe Ein neuartiger autoklavierbarer Griff für chirurgische Instrumente mit integrierter Messelektronik. Anwendung: Wirbelsäulenchirurgie Real time Feedback und Dokumentation des Drehmomentes beim Setzen von Pedikelschrauben. Am Fraunhofer Messestand Halle 6, Stand 6211 Technische Umsetzung des Bohrers Riesenholzwespe (Urocerus gigas),, bei der Eiablage Bionik 1: Sicheres, kaltes Fräsen im OP Ergonomische Ausgestaltung für das Erzeugen von Cavitäten im Oberschenkelknochen für den Hüftimplantatschaft Bionik 2: Schnelles, kraftreduziertes Stanzen im OP Goal: Development of a»swallowing«bone punch with disposable storage cartridge for resected tissue Developing the swallowing mechanism (modeled on the anaconda principle ) Developing a cartridge for the resected tissue Modifying the cutting mechanism Testing the overall system Bionic bone punch 20 15 layers of paper 10 5 0 new bone punch standard bone punch 1 2 3 4 Force [N] 5 6 Measure Human Meilenstein 2014 Echtzeit-Kinematik- & Krafterfassung für Ergonomie & Biomechanik Sheffield, 7.2104 Benno Nigg Symposium, Calgary 9.2014 24 23 4
Simulate Meilenstein 2013 Erster Mensch-spezifischer kinetischer Avatar 11.2013 3.3013 Erste Exoskelett- Hardware-in-the-loop Simulation Reaction Force [N] Gait [%] Leipzig OT Weltkongress 5.2014 Hyderabad, ISPO-Kongress 1.2013 25 26 Produce Meilenstein 2014 Life Printing of Patient Specific Prosthetics Beispiel Unfallchirurgie Patient Specific Implants Patient specific implants using SLS process OPM process based on EOS P800 SLS machine technology MEDTEC Europe Stuttgart 6.2014 Deltatower 27 GmbH, Schwarzenbach, St. Gallen Data from OPM, South Windsor, Connecticut U. Schneider, Fraunhofer IPA: Vernetzung klinischer und medizintechnischer Forschung Endure - Enhanced Durability Resurfacing Endoprosthesis State-of-the-art Motivation Birmingham Hip Resurfacing (after Mr. Derek McMinn) - Conserving healthy bone Biomechanical loading condition [1] Wide range of motion [2] Metal-on-Metal material combination Cambridge Cup Inc, Limerick, Ireland) (Howmedica International - Conserving healthy bone Biomechanical loading condition UHMWPE fiber-reinforced PBT ( bony stiffness min. micro-motion) Complex fixation, migration problem (horse-shoe) [3] 5
ENDURE Cup Horse-Shoe-Shape ENDURE - Results Cup with horse-shoe-shape in optimized design full cup form stability bearing surface less increasing ROM than hemispherical recessed horseshoe physiological loading pattern shape inside reduced wall thickness bone conservation /increased ROM 3D-structure bone-faced stability and alignment Ti- and HA-coating bone in-growth/ visibility CT-Scan and X-Ray Cadaver Studies Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 6