MTS hilft biomechanischen Forschern, Chirurgen vor einer Skoliose-Operation mit besseren Informationen zu versorgen.
KUNDENHERAUSFORDERUNG
Ungefähr vier von 1000 Kindern entwickeln eine unnatürliche Krümmung der Wirbelsäule, die ärztliche Aufsicht erfordert. Eines dieser vier Kinder wird schließlich eine größere korrigierende Skoliose-Operation benötigen. Bei dieser Operation wird die Wirbelsäulenverkrümmung physisch korrigiert und durch eine Wirbelversteifung und/oder das dauerhafte Einsetzen von Metallinstrumenten stabilisiert.
Das Institute of Technology (ITT) im irischen Tallaght ist eine Hochschuleinrichtung im Süden Dublins. Das Bioengineering Technology Centre (BTC) ist ein etabliertes Forschungszentrum innerhalb der School of Engineering und bietet einer Handvoll Studenten, die fortgeschrittene Abschlüsse in biomechanischem Ingenieurwesen anstreben, intensiven Unterricht. Eine der Studentinnen ist Nor Amalina Binti Muhayudin. Im Januar 2009 begann sie ihr Masterstudium am BTC, um neue Methoden der Skoliose-Diagnostik zu erforschen.
In der Vergangenheit wurde zur Diagnose der Skoliose eine zweidimensionale (2D) Messtechnik verwendet, die als Cobb-Winkel bekannt ist. Diese Technik erfordert die Verwendung eines 2D-Wirbelsäulenbildes, um den am stärksten gekippten Wirbel über und unter dem Scheitelpunkt der Krümmung in der Frontalebene zu identifizieren und Linien entlang des obersten und untersten gekippten Wirbels zu ziehen. Wenn zwei Linien senkrecht zu diesen Linien gezogen werden, ist der Winkel, der entsteht, wenn sich die Linien schneiden, der Cobb-Winkel.
Die Cobb-Winkel-Messung kann jedoch nicht den Wirbelrotationswinkel der Wirbelsäule quantifizieren, der für die Skoliose-Diagnose und -Behandlung eine wesentliche Messung darstellt. Muhayudins Herausforderung bestand darin, für jeden Patienten einen detaillierten Bio-Prototyp der Wirbelsäule zu entwickeln. Dieser Prototyp könnte eine vollständige, dreidimensionale (3D) Diagnose vor einer größeren Korrekturoperation einschließlich Daten zum Wirbelrotationswinkel liefern.
„Bislang kamen die Chirurgen mit begrenzten Informationen über den Grad der Wirbelsäulenverkrümmung eines Patienten in den Operationssaal, was bedeutete, dass sie Zeit damit verbringen mussten, die nötigen Beurteilungen während der Operation vorzunehmen“, erklärt Muhayudin. „Meine Forschung zielt darauf ab, eine genaue Berechnung dazu zu liefern, wie viel Kraft notwendig sein wird, um eine Wirbelsäule zu begradigen, bevor man hineingeht, um so die Operationszeit zu verkürzen. Diese Daten könnten auch zu besseren Langzeitergebnissen für die Patienten führen, weil sie uns helfen können, mögliche Rückfälle unter natürlichen Belastungen und Bewegungen der Wirbelsäule im Laufe der Zeit besser vorherzusagen.“
MTS-LÖSUNG
Im März 2009 hat das BTC seine mechanischen Prüfmöglichkeiten rund um die Wirbelsäule durch den Kauf eines Bionix®-Prüfsystems von MTS mit FlexTest®-Steuerungen und der MultiPurpose TestWare®-Software (MPT) von MTS erweitert.
Da aus ethischen Gründen keine Wirbelsäule einer Leiche verwendet werden konnte, begann Muhayudin ihre Forschung mit der Entwicklung einer lebensechten künstlichen Wirbelsäule für die Verwendung mit dem neuen Bionix-Prüfsystem. Sie nahm einen 3D-CAT-Scan der mittleren Thoraxregion einer pädiatrischen Wirbelsäule auf und stellte mithilfe einer Maschine für das selektive Lasersintern (Select Laser Sintering bzw. SLS) einen Prototyp her. Der Prototyp wurde auf die doppelte Größe vergrößert, um in die Bionix-Testvorrichtung zu passen. Aus einer Form des Prototyps wurde eine künstliche Wirbelsäule gebaut, die aus Polyurethan- und Silikonwerkstoffen hergestellt wurde.
Mit dem Bionix-Prüfsystem kann der gesamte Bewegungsumfang der künstlichen Wirbelsäule und anderer Prüfkörper in sechs Freiheitsgraden, einschließlich axialer Verschiebungen, Flexion, Extension, lateraler Biegung und Torsion, simuliert werden. Kraftmessdosen erfassen die Testdaten, während die Kräfte und Momente aufgebracht werden.
„Mit dem neuen Prüfsystem von MTS kann Nor jetzt eine Vorlast auf eine Wirbelsäulenprobe aufbringen, um die Kräfte genau zu bestimmen, die erforderlich sind, um die Wirbelsäule während der Operation wieder in eine natürliche Ausrichtung zu bringen“, erläutert Dr. Fiona McEvoy, Gründerin des BTC. „Dieses Verfahren birgt ein enormes Potenzial, mehr darüber zu erfahren, was bei einer Wirbelsäulenfusion basierend auf der einzigartigen Krümmung der Wirbelsäule jedes Patienten erforderlich sein wird.“
Muhayudins Einstufungsmethode ist das Gegenteil der herkömmlichen Wirbelsäulenprüfung. Anstatt Kräfte und Momente auf die künstliche Wirbelsäule zu übertragen, verwendet sie die Verschiebung als Steuerungsmodus. Die resultierenden Kräfte und Momente, die auf die Wirbelsäulenprobe einwirken, bestimmen den Grad der Verschiebung bei jedem Skoliosefall und ermöglichen es dem Chirurgen, zu quantifizieren, wie viel Kraft und Drehmoment für eine optimale Korrektur der Krümmung erforderlich sind.
KUNDENVORTEILE
Laut Muhayudin wird das Ergebnis nach der letztendlichen Validierung und Einsatz ihrer neuen Diagnosetechnik in der Praxis schnellere, reibungslosere Wirbelsäulenfusionsverfahren und bessere Langzeitprognosen für die Patienten liefern. „Wir gehen davon aus, dass diese neue Technik die Zeit im Operationssaal um 25 Prozent reduzieren wird, was erheblich ist, wenn man bedenkt, dass diese Operationen bis zu 12 Stunden dauern können“, so Muhayudin.
„Diese Zeitersparnis wird dazu beitragen, das Infektionsrisiko deutlich zu reduzieren und die Genesungszeit zu verkürzen, ganz zu schweigen von den positiven potenziellen Auswirkungen auf die Produktivität des Chirurgen.“
Muhayudin wird bald mit tierischen Wirbelsäulen beginnen, um ihre Forschungsergebnisse zu validieren. Dazu muss das Bionix-Prüfsystem um eine Umgebungskammer mit Kochsalzbad erweitert werden, um biologische Proben zu konservieren und die Simulationsgenauigkeit der In-vivo-Wirbelsäulenbedingungen zu verbessern.
„Es ist sehr spannend, dass für jeden Patienten, der sich einer Wirbelsäulenfusionsoperation unterzieht, ein künstlicher Prototyp hergestellt werden kann“, sagt sie. „Es ist genial, dass ein so komplexes Prüfsystem so benutzerfreundlich ist. So kann ich mehr Zeit mit meiner Forschung verbringen und weniger mit dem Versuch, die Testgeräte zu beherrschen.“
