KUNDENHERAUSFORDERUNG
Weltweit gibt es jedes Jahr 1,4 Millionen traumabedingte Wirbelsäulenverletzungen1, von denen 15 % einen chirurgischen Eingriff2 erfordern. In vielen dieser Fälle handelt es sich um Teenager, die ihr ganzes Leben noch vor sich haben, sodass die Beseitigung von Schmerzen und die Wiederherstellung der Mobilität besonders wichtig sind. Auch die Verbesserung der Heilungszeit ist wichtig. Laut einer aktuellen irischen Studie benötigen Patienten mit traumatischen Wirbelsäulenverletzungen durchschnittlich 46 Tage stationäre Pflege.
Das Institute of Technology (ITT) im irischen Tallaght ist eine Hochschuleinrichtung im Süden Dublins. Das Bioengineering Technology Centre (BTC) betreibt angewandte Forschung innerhalb der ITT School of Engineering und bietet einer Handvoll Studenten, die fortgeschrittene Abschlüsse in biomechanischem Ingenieurwesen anstreben, intensiven Unterricht. BTC ist bestrebt, ingenieurwissenschaftliche Prinzipien auf medizinische Probleme mit dem Ziel anzuwenden, neue Innovationen hervorzubringen, die in der klinischen Praxis eingesetzt werden können, um die Lebensqualität der Patienten zu verbessern.
In jüngster Zeit hat das BTC seine angewandte Forschung auf die Optimierung von zwei weit verbreiteten Verfahren der Wirbelsäulenchirurgie – Stabilisierung von Wirbelsäulenfrakturen und Ballon-Kyphoplastie – konzentriert, um Chirurgen dabei zu helfen, die besten Ergebnisse zu erzielen und häufige Komplikationen nach der Operation zu minimieren, was beides die Krankenhauszeit verkürzt.
Bei der Stabilisierung von Wirbelsäulenfrakturen wird der verletzte Teil der Wirbelsäule mit Schrauben und Stäben mechanisch stabilisiert. Bei der Ballon-Kyphoplastie wird ein kollabierter Wirbel mit Hilfe eines aufblasbaren Ballons wieder auf Höhe gebracht und anschließend Knochenzement injiziert, um die Struktur zu stabilisieren. Viele Kyphoplastie-Patienten brechen sich nach der Heilung von der Operation benachbarte Bereiche der Wirbelsäule.
Die Optimierung beider Verfahren birgt für die BTC dieselben Herausforderungen. Die Forscher müssen einen Weg finden, um in einer Prüflaborumgebung durch die genaue Nachbildung von in-vivo-Belastungen und Momenten der menschlichen Wirbelsäule aussagekräftige Testdaten zu sammeln.
„Die Wirbelsäule ist ein faszinierendes Forschungsgebiet, weil sie ein so komplexes mechanisches System mit so vielen Unbekannten ist“, sagt Colin Bright, Doktorand und Leiter der Studie zur Stabilisierung der Fraktur. „Unser Ziel war es, Daten aus realen Simulationen zu erfassen und sie an eine Testumgebung anzupassen, um die Unbekannten bei der Frakturstabilisierung und der Ballon-Kyphoplastie zu reduzieren.“
MTS-LÖSUNG
Das BTC setzt ein Bionix®-Prüfsystem Modell 858 mit FlexTest®-Steuerungen und MultiPurpose TestWare® Software von MTS zur Unterstützung seiner angewandten Forschungsinitiativen ein. Dieses servohydraulische System kann eine ganze Reihe von Bewegungen an Wirbelsäulenproben in sechs Freiheitsgraden präzise simulieren, einschließlich Flexion, Extension, seitliche Biegung, Torsion, Scherung in der X-Achse und Scherung in der Z-Achse. Während der kinematischen Simulationen am Prüfsystem werden Prüfkraftdaten von einem Kraftwandler mit sechs Freiheitsgraden und Prüfwegdaten von Winkelwegaufnehmern erfasst.
Sowohl bei der Frakturstabilisierung als auch bei der Ballon-Kyphoplastie werden Wirbelkörperproben vom Schwein verwendet, die in Größe und
Struktur der menschlichen Wirbelsäule ähneln. Mit dem Bionix-Prüfsystem von MTS werden zunächst Wirbelsäulenverletzungen induziert, die bei beiden Verfahren typischerweise behandelt werden. Als Nächstes wird jedes Verfahren am Prüfkörper durchgeführt und anschließend einer Reihe von statischen und ermüdungsmechanischen Tests unterzogen.
Für die Wirbelsäulenbruchforschung bewertet das Team zunächst statisch das Verhalten der Wirbel, wenn sie über den Nervenbogen bis zum Versagen belastet werden, was dazu beiträgt, sowohl die erforderliche Kraft als auch die Knochendurchbiegung beim Versagen zu bestimmen. Dann werden Dehnungsmessstreifen mit rechteckigem Rosettenmuster am Neuralbogen angebracht, um Richtung und Größe der Hauptdehnung unter verschiedenen Lasten und Bewegungen zu berechnen.
Für die Kyphoplastie-Forschung werden eine Reihe von Kompressionstests angewendet, um die Effektivität des Verfahrens bei der Wiederherstellung von
Steifigkeit und Festigkeit der Wirbel zu bewerten. Die Ergebnisse liefern den Chirurgen wertvolle Informationen, um die Notwendigkeit einer Wirbelsäulenversteifung zu minimieren oder sogar zu eliminieren und gleichzeitig eine ausreichende Abstützung zu erhalten und weitere Frakturen zu verhindern.
„Mit den Daten, die wir aus diesen Tests sammeln, sind wir auf dem besten Weg, ein validiertes Finite-Elemente-Modell zu erstellen, um die mechanischen Auswirkungen der Kyphoplastie-Behandlung zu analysieren“, erklärt Philip Purcell, Doktorand und Leiter der Kyphoplastie-Forschung.
KUNDENVORTEILE
Laut BTC-Gründerin Dr. Fiona McEvoy waren die Einfachheit, die Flexibilität und die Möglichkeiten des Bionix-Prüfsystems von MTS entscheidend dafür, dass ihre Forschungsteams neue Erkenntnisse über die Kinematik der Wirbelsäule gewinnen konnten, von denen viele schließlich im Operationssaal zum Einsatz kommen.
„Die Möglichkeit, Wirbelsäulenbewegungen im Testlabor sorgfältig zu choreographieren und diese Bewegungen mit Testdaten zu korrelieren, ist eine seltene Fähigkeit, und sie macht uns zu einer sehr einzigartigen und vielbeschäftigten Einrichtung“, so McEvoy. „Da die Benutzeroberfläche von MTS so intuitiv ist und die Testaufbauten so schnell sind, können unsere Studenten wirklich kreativ werden und verschiedene Ansätze ausprobieren.“
Die irische Wirbelsäulenforschungsgemeinschaft wartet gespannt auf die vollständigen Ergebnisse der Studien zur Frakturstabilisierung und Ballon-Kyphoplastie. Diese Ergebnisse werden potenziell weltweite Auswirkungen haben, da das BTC eine enge Zusammenarbeit mit Wirbelsäulenchirurgen in ganz Irland pflegt, die ihre chirurgischen Innovationen gerne mit Kollegen in ganz Europa und darüber hinaus teilen.
„Mit einem besseren Verständnis der Biomechanik der Wirbelsäule und deren Veränderung nach Frakturstabilisierung und Ballon-Kyphoplastie kommt die chirurgische Gemeinschaft individuellen Verfahren für jeden Patienten auf der Grundlage validierter Daten einen großen Schritt näher,“ so Philip Purcell. „Die Patienten verbringen weniger Zeit auf dem Operationstisch, erholen sich schneller und es treten weitaus weniger postoperative Komplikationen auf. Das alles spart Zeit und Geld für alle Beteiligten, ganz zu schweigen von der Verbesserung der Lebensqualität.“
