Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA
Prozess der virtuellen personalisierten Produktenwicklung
In-Silico-Orthopedics
Für eine effizienzbasierte individuelle Therapie muss der Zusammenhang zwischen Produktfunktion und der Pathologie des Patienten geschaffen werden. Hierzu werden bio- und strukturmechanische objektive Analyseprozesse benötigt, um eine fundierte Personalisierung der Medizintechnik zu ermöglichen, die nachweislich den Patienten in der Therapieentwicklung fördert.
Die personalisierte Anpassung der Produktfunktionen an den Patienten erfordert eine hohe digitale Personalisierungstechnologie, welche nur durch computergestützte Verfahren möglich wird. Aufgrund der daraus resultierenden Komplexität der Produktfunktionen, des Designs, der Produktion und der Digitalisierung müssen strategische Konzepte entwickelt werden, die für eine digitale Zukunft richtungsweisend sind. Zusätzlich wird die Nachhaltigkeit von Produktlebenszyklen immer wichtiger für die Akzeptanz von Produkten. In diesem Zusammenhang drängen biobasierte Materialen immer stärker in den Markt. Durch bioinspirierte Funktionsintegration in personalisierten Produkten können neue nachhaltige Lösungen geschaffen werden. Gleichzeitig jedoch gestaltet sich der Einstieg für viele Unternehmen in eine personalisierte digitale Produktentwicklungsstrategie schwierig, weil diverse Spitzentechnologien aus unterschiedlichen Fachbereichen dazu benötigt werden.
Das Fraunhofer IPA und das Leistungszentrum „Mass Personalization“ stellen sich dieser Herausforderung, um bestehende Risiken und Innovationsbarrieren im Dienste des Wirtschaftsstandorts Deutschlands abzubauen.
Experimentelle Biomechanik
Experimentelle Analysen des Bewegungsapparats sind für die Diagnose von orthopädischen Pathologien essentiell. Es bestehen diverse Möglichkeiten, Analysedaten des Bewegungsapparates zu erstellen, z. B. Kinetik- und Kinematikdaten aus der biomechanischen Bewegungsmusteranalyse, medizinische Bilddaten aus MRT-, CT-, Röntgen- oder Ultraschallaufnahmen und auch nicht-medizinische Diagnostikdaten wie Oberflächen-Scandaten und elastische Gewebeeigenschaften durch mechanisches Messen oder durch die Sonographie für eine detailliertere Bestimmung der Gewebeverformung und Gelenkbewegungen. Alle Daten haben für sich eine hohe Relevanz. Durch die Verknüpfung dieser Daten jedoch entstehen neue Chancen, pathologische Zusammenhänge zu erschließen. Dazu müssen alle Messprozesse aufeinander gut abgestimmt sein. Nur durch eine exakte Registrierung der Bild- und Messdaten sind weitere Verwendungsmöglichkeiten der Daten gegeben. Z.B. in computergestützten Analyseprozessen, um fundierte biomechanische Menschsimulationen zu ermöglichen oder über die Diagnoseanwendung hinaus auch für Produktentwicklungen.
Computergestützte Biomechanik
Der menschliche Bewegungsapparat ist ein komplexes System, das durch gezielte Kontraktion des Muskelsystems die Körpergliedmaßen in dynamische Bewegungen versetzt. Die Muskelkontraktionen entstehen durch physiologische (elektro-chemo-mechanische) Prozesse, die durch eine neurologische Stimulation getriggert werden. Bei vielen neuromuskolären Erkrankungen durch Parese ist das muskuläre System im Ungleichgewicht und die Steuerung der Gliedmaßen gestört. Das Ziel unserer numerischen Biomechanik, die sich mit der Beschreibung der Muskelphysiologie von der kleinsten mechanischen bis zur makroskopischen phänomenologischen Ebene beschäftigt, ist es, die muskulären Dysfunktionen physikalisch zu simulieren und sie in der plastischen Chirurgie für die OP-Planung als prognosefähiges Hilfswerkzeug einzusetzen. Die Komplexität der entwickelten und eingesetzten Muskelmodelle unterscheiden sich in der Applikation zwischen Anwendungs- und Forschungsfrage. In der grundlagenorientierten Forschung steht das Verständnis der komplexen multiphysikalischen Prozesse im Vordergrund, wohingegen in der anwendungsorientierten Forschung mehr die komplexen multi-muskulären dynamischen Systembewegungen der Extremitäten über eines oder mehrere Gelenke erfolgt. In diesen Forschungsfeldern arbeiten wir sehr eng mit Prof. Oliver Röhrle für Continuum Biomechanics and Mechanobiology (IMSB, Universität Stuttgart) zusammen.
Personalisierte Medizintechnik durch hocheffiziente Digitalisierung
Es stellt sich bei jedem medizintechnischen Produkt, das für einen Patienten ausgewählt (from the shelf), angepasst und individuell hergestellt wurde die Frage, wie groß deren Effekt auf die Therapieentwicklung ist. Wie agiert das Produkt mit der individuellen Biologie und Biomechanik der Person? Behindert es die Bewegungsmöglichkeiten im schlimmsten Fall durch zu restriktiv ausgelegte Unterstützungsmaßnahmen? Aus den Erfahrungen in der Orthopädie lässt sich sagen, dass die beste Therapie diejenige ist, die mit möglichst wenig Unterstützung und Korrekturen auskommt. Damit werden Überkorrekturen vermieden und der Körper kann durch gezielte konservative Therapie befähigt werden, das komplexe Bewegungssystem möglichst selbst zu regulieren. Exakt an diese Stelle greift die personalisierte Medizintechnik ein. Sie verbindet die technischen Herausforderungen der Prothesen- und Orthesenentwicklung mit der Biomechanik des Patienten. Um hier eine optimale Abstimmung zu erreichen, sind einfache bis komplexe Menschsimulationen notwendig, die sich in ihrem Personalisierungsgrad unterscheiden, um diese Interaktion zwischen Biologie und Struktur zu lösen. Dabei hängt der erreichbare Grad der Personalisierung für ein Produkt stark von den geforderten Produktzielen für die Therapie und den individuell gemessenen Patientendaten sowie den bereits verfügbaren Daten in der Modelldatenbank ab. Dieser Prozess erfordert ein hohes Niveau an Digitalisierung in verschiedenen Ebenen und kann oft nur im Zusammenschluss mit unterschiedlichen Partnern erreicht werden. Das Zusammenbringen von Menschdaten, Biomechanik und Produkt mit dem zusätzlichen wichtigen Aspekt der Herstellung kann neue parametrisierte therapeutisch nachvollziehbarere Produktanpassungen und -entwicklungen ermöglichen.
Personalisierte Medizintechnik durch hocheffiziente Digitalisierung
Nachhaltige bionisch-inspirierte Produkte und Produktionsprozesse
Bei Implantaten wird besonders deutlich, dass dies nicht irgendwelche einfachen Ersatzteile sind, die dem Menschen wie bei einem Auto eingesetzt werden. Man hat gelernt, dass der Körper in vielfältiger und zum Teil meist drastischer Art auf nicht adäquate Materialien und deren Eigenschaften reagiert. Je näher der Ersatz an das biologische Vorbild herankommt, desto verträglicher und damit nachhaltiger ist dieser. D.h. es muss weit über die reine Formgebung in die Chemie und Physik der zu ersetzenden Organe und die Biologie des Körpers geschaut werden, um einen bestmöglichen Ersatz zu bieten.
Aber auch bei chirurgischen Instrumenten, die alle Funktionen erfüllen müssen, die auch von Tieren als Effektoren zum Greifen, Halten, Schneiden, Stechen, Bohren etc. verwendet werden, lohnt sich der Blick in die Natur zur Entwicklung effektiverer und effizienterer Instrumente. Insekten liefern diese Effektoren auch noch in der kleinen Größe, wie es für endoskopisches Arbeiten notwendig ist.
Diesen Blick in die Natur werfen unserer Wissenschaftler in interdisziplinärer Weise, um neue und bessere Implantate und Instrumente zu entwickeln.
Wir sind überzeugt, dass ökologische Nachhaltigkeit das Zukunftsthema ist und diese bei den Produktionsprozessen anfangen muss, um Mikroplastik und Abfall zu vermeiden. Darum entwickeln wir mit unserem biologischen Wissen und der Kompetenz, Prinzipien in der Natur zu identifizieren und in die Technik zu transferieren, revolutionär andere Produktionsprozesse. Hierzu verwenden wir das kleinste Werkzeug, das die Natur selber für die Synthese, Transformation und Degradation nutzt: Enzyme. Das sind spezifische Proteine, die als Katalysatoren fungieren, die molekulare Verbindungen aufbauen, aber auch kappen können. Dies ermöglicht aus biogenen Rohstoffen in z.B. 3-D Druckprozessen mithilfe von Proteinen eine Verfestigung zu bewirken. Ziel ist, erdölbasierten Kunststoff damit ersetzen zu können und damit erstmals 100% recyclebare oder komplett kompostierbare Materialien zu haben, aus denen die Dinge des täglichen Lebens gefertigt werden können.