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Intelligentes Kreuzbandimplantat

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Der Riss des vorderen Kreuzbandes am Kniegelenk ist eine Verletzung, die gerade bei jungen Sportlern häufig auftritt. Die Mathys AG bietet eine Technik an, welche die Selbstheilung des Kreuzbandes ermöglicht, anstatt dieses zu ersetzen. Um den Heilungsprozess besser überprüfen zu können, hat die Firma mit dem Institute for Human Centered Engineering HuCE Kontakt aufgenommen.

Das Ligamys-Implantat
Verschiedene Sportarten belasten das Knie durch plötzliche Richtungsänderungen stark. So treten etwa bei Fussball- und Tennisspielern oder beim Skifahren Kreuzbandrisse relativ häufig auf. Wenn der Eingriff innerhalb von 21 Tagen nach dem Unfall erfolgt, kann das vordere Kreuzband natürlich heilen. Mathys hat mit Ligamys ein Implantat entwickelt, das die Selbstheilung des gerissenen Kreuzbandes fördert. Ein Polyethylen-Faden wird in Längsrichtung des Bandes eingeführt (Abb. 1), um das Kniegelenk während des Heilungsprozesses zu stabilisieren und das Kreuzband zu entlasten. Dieser Faden wird durch einen metallischen Flipanker an der Aussenseite des Oberschenkelknochens (Femur) befestigt. Er wird dann unmittelbar neben der verletzten Kreuzband-Struktur durch das Gelenk an den Schienbeinkopf geführt. Dort wird der Faden in einem Monoblock fixiert. Ein Federsystem im Inneren des Monoblocks gewährleistet in allen Kniepositionen eine stabilisierende Spannung des Polyethylen-Fadens. Im Verlauf des Heilungsprozesses wird diese Spannung immer mehr durch das Kreuzband übernommen. Damit ist diese Spannung eine wesentliche Grösse, um den Heilungsverlauf zu überprüfen.

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Abb. 1: Das Prinzipschema zeigt das Kreuzband in der Phase der Heilung, unterstützt durch das Ligamys-Implantat. Rechts ist der Querschnitt des Monoblocks sowie dessen Ultraschallbild abgebildet. Mit dieser Messung lässt sich die Position der beweglichen Achse in Bezug auf die festen Kanten des Implantats bestimmen. Daraus kann man die Kraft, die auf den Polyethylen-Faden wirkt, ableiten.

Messung mit Ultraschall
Die erste von uns vorgeschlagene Methode basiert auf einer Distanzmessung mit Ultraschallabbildung (Echografie). Da der Faden an einer Feder befestigt ist, können die Kräfte im Federsystem aufgrund der Längenänderungen der Feder berechnet werden. Die Grafik rechts in Abb. 1 zeigt eine solche Messung. Mit den entsprechenden Daten konnte die Federexkursion mit einer Genauigkeit von ±0.2 mm bestimmt werden.

Instrumentiertes Implantat
Um eine schnellere und benutzerfreundlichere Messung zu ermöglichen, haben wir mit der Entwicklung eines instrumentierten Implantats begonnen. Dies bedeutet, dass das Implantat mit einem Kraftsensor versehen ist. Dieser funktioniert ohne Batterie, und die Datenübertragung geschieht drahtlos. Bisher wurden zwei Lösungsansätze erarbeitet und im Labor getestet. Bei der ersten Variante misst man die Veränderung des Magnetfelds, das ein ins Implantat integrierter Magnet hervorruft. Die zweite Variante basiert auf der Veränderung der Induktivität eines LC-Schwingkreises.
Den grössten Teil dieser Arbeiten hat Pascal Rauch im Rahmen seiner Bachelor Thesis durchgeführt. Die Weiterentwicklung erfolgt diesen Frühling im Rahmen von zwei Bachelorarbeiten im Studiengang Mikro- und Medizintechnik.