Optimierte Therapie für Kreuzbandverletzungen durch digitale Simulation

07/11/2024

Das Fraunhofer-Institut für Digitale Medizin MEVIS, das Universitätsklinikum Freiburg und die Stryker Leibinger GmbH wurden für ihre Arbeit an einer Finite-Elemente-Simulation zur individuellen Therapieplanung bei Knieverletzungen ausgezeichnet. Diese neuartige Methode ermöglicht die personalisierte Planung von Kreuzbandoperationen und könnte langfristige Folgeprobleme wie Arthrose vermeiden.

Knieverletzungen zählen zu den häufigsten Erkrankungen in der Orthopädie.

Bild: Simulationsmodell des Kniegelenks; Copyright: Fraunhofer MEVIS

Ein Finite-Elemente-Simulationsmodell des Kniegelenks (links) ermöglicht die dynamische Vorhersage und Analyse verschiedener Gelenkstellungen wie Überstreckung, Ruhestellung, und 20° Beugung, v. l. n. r. (MR-Datensatz Universitätsklinikum Freiburg).

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Bisher beruhen Therapieentscheidungen auf statischen radiologischen Aufnahmen, obwohl viele Beschwerden beim Bewegen auftreten. Die Forschenden haben im Rahmen des Projekts PLANK (Planungs- und Navigationsplattform für die individualisierte Versorgung von Kreuzbandverletzungen) eine Methode entwickelt, die mithilfe dynamischer Modellierungen eine präzisere Therapieplanung ermöglicht.

Simulation der optimalen Kreuzbandfixierung

Das Kniegelenk wird durch Bänder, darunter das vordere Kreuzband, stabilisiert. Die Rekonstruktion dieses Bandes nach Verletzungen ist komplex, da die Position und Spannung des Ersatzbandes großen Einfluss auf die Beweglichkeit des Knies haben. Im PLANK-Projekt ermöglicht eine Simulation den Ärztinnen und Ärzten, die optimale Fixierung des Kreuzbandes am Computer zu bestimmen. "Mit unserem Entscheidungsunterstützungsverfahren werden Knieoperationen patientenindividueller", erklärt Dr.-Ing. Elin Theilen vom Fraunhofer MEVIS. Ziel ist es, langfristig Folgeprobleme wie Knorpelschäden zu vermeiden und die Therapie für jede Patientin und jeden Patienten individuell zu optimieren.

3D-Modell und dynamische Druckverteilung

Die Grundlage der Simulation bildet ein 3D-Modell des Kniegelenks. Mithilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) wird die Struktur des Knies in kleine Elemente unterteilt, die eine detaillierte Druck- und Spannungsverteilung simulieren. Die statischen MR-Routinebilder der Kniegelenke dienten zur Segmentierung der anatomischen Strukturen, die dann für die Simulation verwendet wurden. Die FEM-Simulation ermöglicht den Ärztinnen und Ärzten, sich detailliert auf die betroffenen Strukturen zu konzentrieren und Bewegung, Spannung und Druckverteilung zu analysieren.

Validierung und klinische Anwendung

Das FEM-Modell wurde am Universitätsklinikum Freiburg mit elf gesunden Probandinnen und Probanden validiert, die Knieaufnahmen unter verschiedenen Belastungen durchführten. Die Simulation erreichte eine Genauigkeit von 2 mm in der Translation und 1 Grad im Winkel im Vergleich zur Referenzstellung des Knies. Das FEM-Modell ist ein nützliches Werkzeug, um individuell zu entscheiden, wie die Stabilität und Funktionalität des Kniegelenks nach Verletzungen am besten wiederhergestellt werden kann.

Weitreichende Einsatzmöglichkeiten

Das FEM-Modell ist nicht nur für Kreuzbandverletzungen geeignet, sondern auch bei anderen Knieproblemen wie Implantaten oder Frakturen einsetzbar. Das Projekt PLANK wurde von Fraunhofer MEVIS, dem Universitätsklinikum Freiburg und der Stryker Leibinger GmbH & Co. KG entwickelt und mit 1,5 Millionen Euro durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert.

MEDICA.de; Quelle: Fraunhofer-Institut für Digitale Medizin MEVIS

Mehr über das Fraunhofer MEVIS unter: www.mevis.fraunhofer.de