Motivation

Hüftgelenkserkrankungen bei Kindern treten selten auf und sind überdies sehr unterschiedlich in ihrer Ausprägung. In außerordentlich schlimmen Fällen sind die Kinder nicht mehr in der Lage zu gehen. Eine Behandlungsmethode stellt die operative Korrektur der Fehlstellung, eine sogenannte Umstellungsosteotomie mit anschließender Ruhigstellung des Beines dar. Das Ziel einer Umstellungsosteotomie am Oberschenkel ist die dreidimensionale Ausrichtung des Oberschenkelkopfes und -schaftes mit anschließender Fixierung in der gewünschten anatomischen Position durch ein Implantat (Abb. 1). Die derzeit am Markt verfügbaren Implantate erfordern eine präoperative Planung, ein invasives Vorgehen und eine intraoperative Visualisierung sowie eine postoperative Lageüberprüfung mittels Röntgendiagnostik. Mitunter kann die Korrektur des Oberschenkelknochens durch eine schwierige Abschätzbarkeit der Korrekturwinkel trotz intraoperativer Durchleuchtung nicht wie geplant umgesetzt werden.

Zielsetzung

Ziel des Forschungsprojektes FOMIPU ist die Entwicklung eines Implantates und einer minimalinvasiven Operationstechnik für die Umstellungsosteotomie bei Kindern. Gegenüber bisherigen Operationstechniken, bei denen konfektionierte Implantate verwendet werden, wird durch den Einsatz einer simulationsbasierten Optimierungsmethode und einer automatische Individualisierung eine Anpassung an den Patienten ermöglicht.

Vorgehen

Als erster Schritt wird ein initiales Implantatdesign mit zugehörigem Zielinstrumentarium für polyaxiale Schrauben (Abb. 2) entworfen. Dieses soll einerseits maßgeschneidert auf den Patienten sein und andererseits dem Arzt die Möglichkeit der Anpassung in der jeweiligen Operationssituation geben, um so einen bestmöglichen Sitz der Schrauben im Knochen zu gewährleisten. Diese beiden initialen Designentwürfe werden mit Hilfe einer simulationsbasierten Optimierung an die später auftretenden Lastfälle angepasst. Als Zielfunktion der Optimierung kann beispielsweise die Reduktion des Implantatvolumens bei ausreichender Steifigkeit gewählt werden. Um eine patientenindividuelle Versorgung sicherzustellen, können zwei Fertigungsprozessketten eingeschlagen werden. Im Laufe des Projektes werden die konventionelle Fertigung mittels 5-Achs-Simultanfräsen und die Additive Fertigung der Bauteile untersucht. Hier gilt es, die Gestaltungsmöglichkeiten der spanenden Herstellung bzw. der additiven Fertigung bereits im Designprozess zu berücksichtigen und zu vergleichen. Als Vergleichskriterien werden die Bauteilqualität und die Wirtschaftlichkeit des Fertigungsprozesses betrachtet. Die endgültigen Qualitätsuntersuchungen durch das iwb an konventionell und additiv gefertigten Probekörpern und Bauteilen haben die Umsetzung einer zertifizierbaren und wirtschaftlichen Herstellung der Implantate zum Ziel.