Digitales parametrisches Modell eines Knieimplantats zur patientenindividuellen Anpassung

Fragestellung Derzeitige Knieimplantate stehen in verschiedenen Größenabstufungen zur Verfügung und weisen keine patientenindividuelle Charakterisierung auf. Deshalb stellt die letztendliche Auswahl einer Größe eine Kompromisslösung dar. Daher ergibt sich die Fragestellung einer patientenangepassten Knieprothese. Hierfür erfolgt eine parametrische Beschreibung eines digitalen Modells eines Knieimplantats zur individuellen Anpassung an einen Patientenfall.

Methodik In einem CAD-System (Computer Aided Design) wurde ein Modell eines Knieimplantates konstruiert. Art und Aufbau des Implantates orientiert sich dabei zunächst sowohl für die femorale, als auch für die tibiale Komponente an den in der Praxis gängigen und verfügbaren Implantatvarianten der verschiedenen Hersteller. Im konkreten Fall wurde das System der Firma Mathys herangezogen.

Als Eingangsdaten für die Größenanpassung in der Anwendung werden aus CT-Daten über KI-basierte Methoden Parameter entnommen und über Schnittstellen in dem CAD-System verarbeitet. Das Modell wird im Anschluss exakt nach Maß gefertigt. Im vorliegenden Fall erfolgte dies mittels generativer Fertigungsverfahren (3D-Druck) aus Titan.

Unter anderem folgende prinzipielle Einstellmöglichkeiten sind am Modell gegeben:

• Breite, Tiefe der jeweiligen Komponente des Implantates

• Abrollgeometrie Kondylen und Patella-Gleitrinne in Form beschreibender Radien

• Winkel und Position Schnittebenen im anterioren/posterioren Bereich

• Position, Orientierung (Slope) und Größe des Stamps

Die Größe des Inlays ergibt sich aus den Abmaßen von Femur- und Tibiakomponente sowie der chirurgischen Planung. Es wird ebenfalls individuell aus biokompatiblem Kunststoff generativ gefertigt (z.B. SLS-Verfahren).

Weitere geometrische Abmaße ergeben sich aus der zuvor erfolgten digitalen Planung (u.a. anatomische und mechanische Achse, femorale und tibiale Schnittebene) sowie aus medizinisch und technisch fixierten Parametern.

Für Standardgrößen können entsprechende Konfigurationen angelegt werden.

Ergebnisse und Schlussfolgerung Der Test des Modells erfolgte in zwei Schritten:

Zunächst wurde die Abdeckung der bisherigen Größenabstufungen anhand gegebener Implantatgrößen der Firma Mathys untersucht. Dieser Test war zufriedenstellend, alle Größen (Femur von XS bis F, Tibia von 59 bis 85) konnten generiert werden. Lediglich die Extremgrößen (Femur XS, F) erzeugten kleinere Aufbaufehler.

Für den zweiten Test des Modells lagen fünf Patientendatensätze (CT) des linken Knies vor. Es erfolgte jeweils eine Planung der anatomischen Daten. Anschließend erfolgte die Adaption des Modells an die Patientenmodelle. Die Funktionalität konnte auch hierbei nachgewiesen werden. Ein konkreter zahlenmäßiger Vergleich zwischen angepasstem Implantat und entsprechend des Patientenfalls ausgewählter Standardgröße ist Gegenstand derzeitiger Untersuchungen. Ferner ist das Modell hinsichtlich Robustheit für alle Kniegelenkgrößen weiter zu verbessern.

Stichwörter individuelle Implantate, Knieendoprothese, künstliches Kniegelenk, digitale Konstruktion, CAD

Publication History

Article published online:
15 October 2020