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Smartes Implantat soll Heilung beschleunigen und verbessern

| Autor: Julia Mutzbauer

„Nach der Operation, bei der die Bruchstücke mit einer Schiene verschraubt werden, wissen wir heute lange Zeit nur wenig über den Verlauf der Heilung“, erklärt der Unfallchirurg Professor Tim Pohlemann.
„Nach der Operation, bei der die Bruchstücke mit einer Schiene verschraubt werden, wissen wir heute lange Zeit nur wenig über den Verlauf der Heilung“, erklärt der Unfallchirurg Professor Tim Pohlemann. (Bild: gemeinfrei / Unsplash)

Eine Forschergruppe der Universität des Saarlandes entwickelt ein intelligentes Implantat, das bei Knochenbrüchen sofort ab der OP die Heilung überwachen und bei Fehlbelastung warnen soll. Das Ziel ist, den Patienten schneller wieder auf die Beine zu helfen und zugleich die Behandlungskosten zu senken.

Wissenschaftler der Universität des Saarlandes wollen unter Leitung des Unfallchirurgen Professor Tim Pohlemann die Therapie von komplizierten Knochenbrüchen mithilfe eines intelligenten Implantats verbessern. Pohlemann erläutert die bisherigen Probleme in Bezug auf Knochenbrüche: „Neben den Schmerzen und den massiven Einschränkungen, die ein solcher Bruch mit sich bringt, kann die Therapie im ungünstigen Fall schnell Kosten in sechsstelliger Höhe verursachen.“ Pohlemann weiter: „Nach der Operation, bei der die Bruchstücke mit einer Schiene verschraubt werden, wissen wir heute lange Zeit nur wenig über den Verlauf der Heilung. Wir können auch nicht aktiv eingreifen. Erst nach Wochen gibt ein Röntgenbild Einblick, ob der Knochen gut verheilt und ob sich neues Knochengewebe gebildet hat.“

Prof. Dr. Tim Pohlemann
Prof. Dr. Tim Pohlemann (© Oliver Dietze)

Das intelligente Implantat soll ab der OP die Heilung überwachen, indem es selbst aktiv durch Bewegungen gegensteuert, wenn der Knochen nicht korrekt zusammenwächst. Die Universität des Saarlandes erläutert: „Ein speziell auf die einzelnen Patienten zugeschnittenes Implantat soll nach der Operation ohne Weiteres automatisch Informationen darüber liefern, wie die Bruchstelle verheilt, und außerdem gezielt und aktiv die Knochenheilung positiv beeinflussen, indem es sich von selbst nach Bedarf bewegt oder versteift.“

„Wir haben in Vorstudien herausgefunden, dass Frakturen schneller heilen, wenn die Bruchstelle durch Bewegung stimuliert wird. Unsere Vision ist – salopp gesagt – ein Implantat, das Tag und Nacht die optimale Krankengymnastik macht und so den Knochen schneller und besser heilen lässt“, so Tim Pohlemann. Zusätzlich soll das Implantat auch vor zu starker Belastung des Knochens warnen.

Das Team um Professor Pohlemann arbeitet hierfür eng zusammen mit dem Ingenieur Professor Stefan Diebels und dessen Arbeitsgruppe auf dem Gebiet der Technischen Mechanik, mit dem Informatiker Professor Philipp Slusallek und seinem Team am Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) sowie mit den Spezialisten für intelligente Materialsysteme um Professor Stefan Seelecke an Uni und Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik (ZeMA).

Die Wissenschaftler planen, in spätestens fünf Jahren einen Implantat-Prototypen zu entwickeln. Dafür sollen Unterschenkelfrakturen, die als komplexe Verletzung bekannt seien, als Versuchsfall dienen. Laut Uni arbeiten die Wissenschaftler bereits seit langem daran, herauszufinden, wie genau sich nach einer Fraktur die Belastung beim Gehen auf die Heilung auswirkt. Sensor-Einlegesohlen erfassen hierbei über lange Zeit bei jedem Schritt 60 verschiedene Parameter. In langen Versuchsreihen werden Daten von Knochen, die erst gebrochen und dann vielfältig belastet werden, gesammelt.

„Individuelle Fraktur berechenbar machen“

Nach den Angaben der Universität des Saarlandes interessieren sich die Forscher vor allem dafür, was bei Belastung im Frakturspalt passiert. „Wenn wir wissen, wie die Lastverteilung im spezifischen Bruch sein wird, welche Kräfte hier wirken, können wir berechnen, wie das Implantat für die individuelle Frakturgeometrie aussehen muss, oder auch, wie viele Schrauben tatsächlich an welcher Stelle notwendig sind“, erklärt Professor Stefan Diebels. Mit künstlicher Intelligenz und maschinellem Lernens können sie aus den so gewonnenen Daten Belastungsmuster erstellen, mit denen sie Rückschlüsse auf Heilung oder Störungen ziehen. Professor Philipp Slusallek beschreibt die Vision des Projektes: „Ziel ist es, die individuelle Fraktur berechenbar zu machen und die optimale Therapie für jeden Patienten und jede Patientin zu ermöglichen.“

Acht Millionen Euro Förderung

Die Forschungsarbeit wird von der Werner-Siemens-Stiftung mit acht Millionen Euro unterstützt. Universitätspräsident Manfred Schmitt freut sich über diese Förderung: „Diese Nachricht freut uns an der Universität des Saarlandes außerordentlich. Das Projekt hat Vorzeige- und Vorbildcharakter für eine großartige interdisziplinäre und fachübergreifende Initiative. Von den Erkenntnissen dieses für die Wissenschaft eminent wichtigen und innovativen Verbundforschungsprojekts werden in Zukunft hoffentlich viele Patientinnen und Patienten profitieren können.“

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Dieser Beitrag ist ursprünglich auf unserem Partnerportal Healthcare Computing erschienen.

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