ZESBO
Projekte
3D-Gelenkstellungsanalyse zur Diagnostik von instabilen Syndesmosenverletzungen
Sprunggelenksverletzungen stellen eine der häufigsten Notfallaufnahmenkonsultationen junger Patient:innen dar. Während Frakturen zuverlässig erkannt werden, bleiben instabile Syndesmosenbandverletzungen in der weiterführenden Diagnostik oft unerkannt und führen zu schwerwiegenden Gelenkschäden. Ziel des Projektes ist daher ein nichtinvasives und zugleich sicheres diagnostisches Tool zu entwickeln, welches preisgünstig und flächendeckend einsetzbar ist. Hierzu soll der Einflusses instabiler Syndesmosenbandverletzungen auf die knöcherne Stellung des Gelenks mittels dreidimensionaler, automatisierter (KI-basierter) CT-Auswertung untersucht werden. Zusätzlich werden der Einfluss veränderter Fußpositionen und Gewichtsbelastungen analysiert, um das Gelenk dynamisch zu untersuchen.
Ultra-flexibler Knochen-Bohrer für die Gelenkchirurgie
Im vorliegenden Projekt soll ein flexibler Bohrer für Knochenstrukturen entwickelt werden, um die Nutzung flexibler, an die Verletzung angepasster Knochenimplantate zu ermöglichen. Derzeit können solche Implantate nur schwer in den Körper eingebracht werden, da kein auf dem Markt verfügbares Gerät die erforderliche Krümmung erzielen kann, insbesondere in komplexen Knochenstrukturen wie dem Beckenring. Im Rahmen des Projekts sollen die Steuerung, der Biegemechanismus und das Schneidwerkzeug eines flexiblen Knochenbohrers entwickelt und unter Laborbedingungen evaluiert und erprobt werden. Zudem soll eine Planungs- und Navigationssoftware erstellt werden, die den Eingriff vorab über 3D-Bildgebungsdaten plant und diese Daten während des Eingriffes mit 2D-Bildgebungsdaten abgleicht und somit eine Navigation ermöglicht. Die gesamte Entwicklung wird durch gängige medizinische Dokumentations- und Entwicklungsstandards betreut, sodass ein schneller Übergang in den Markt angestrebt werden kann. Durch eine enge Zusammenarbeit mit medizinischen Anwender*innen wird eine hohe klinische Nutzbarkeit und Relevanz erwartet.
Exoskelett zur Steigerung der Ergonomie im Operationssaal
Die gestiegene Lebenserwartung sowie der demografische Wandel spiegeln sich auch im beruflichen Umfeld wieder. Knapp 20% der Ärztinnen und Ärzte des human- und zahnmedizinischen Bereichs sind über 60 Jahre alt. Insbesondere Chirurginnen und Chirurgen haben durch alltägliche, körperlich anstrengende Operationen über Jahre ein mit dem Beruf assoziiertes Verschleißrisiko. Um die Gesunderhaltung zu fördern und um einer altersbedingten Abnahme der Präzision und Kraft im OP entgegenzuwirken, soll im Rahmen dieses Projektes ein biomechatronisches System zur Steigerung der Ergonomie im Operationssaal („BiSOP“) entwickelt werden. Die Umsetzung soll mit Hilfe eines Exoskeletts erfolgen. Bei dem Projekt handelt es sich um eine Kooperation der imk Health Intelligence GmbH, der imk Industrial Intelligence GmbH, der FiberCheck GmbH, der Technischen Universität Chemnitz (Professur Adaptronik und Funktionsleichtbau) und der Universität Leipzig (ZESBO). Die Hauptaufgabenfelder des ZESBO sind die grundlegende Datenerhebung für die Entwicklung sowie die Evaluierung des Prototyps.
KI-basiertes Kamerasystem für automatisierte Diagnostik bei Sportverletzungen
Verletzungen im Sport, insbesondere im professionellen Bereich, sind stets mit der Frage verknüpft, wann der Athlet ins Trainings- und Wettkampfgeschehen zurückkehren kann. Eine zu frühe Rückkehr geht mit einem stark erhöhten Re-Verletzungs-Risiko einher. Zudem besteht die Gefahr, dass der Sportler Bewegungen in sogenannten Schonhaltungen durchführt, um die Belastung des verletzten Gelenks zu reduzieren. Diese Schon- bzw. Fehlhaltungen stellen ihrerseits ein erhöhtes Risiko für anderweitige Folgeverletzungen dar. Im Rahmen des Projekts KI-RTC, soll daher ein Kamerasystem entwickelt werden, welches mittels Künstlicher Intelligenz (KI) u.a. Gelenkwinkel analysiert während Sportler standardisierte Return to Sports/Competition(RTC)-relevante Übungen durchführen. Die Bewertung der Übungsausführung im Rahmen der Untersuchungen mittels KI stellt eine starke Zeitersparnis und Vereinfachung für den Untersucher im Vergleich zur herkömmlichen manuellen Bewertung dar. Die Zeitersparnis hätte zur Folge, dass Untersuchungskapazitäten frei werden. Die Vereinfachung der Untersuchungen könnte zudem ermöglichen, dass diese auch von Assistenten durchgeführt werden können, was ebenfalls die Untersuchungskapazitäten erhöhen würde. Folglich könnten im Breitensport eine stark erweiterte Zugänglichkeit von RTC-Untersuchungen ermöglicht und somit Re- und Folgeverletzungen reduziert werden. Die mit der KI-Bewertung einhergehende Objektivierung könnte zudem leistungsdruckinduzierten verfrühten Returns im Profisport entgegen wirken. Und selbst wenn keine systematische Tendenz, Sportler zu früh wieder in den Wettbewerb zu integrieren vorliegt, stellt die mit der KI einhergehende Untersucherunabhängigkeit eine grundsätzliche Verbesserung der Diagnostik dar. Das Projekt wird gemeinsam bearbeitet mit der Neuralation GbR.
Schulter-Prüfstand für die Untersuchung von Endoprothesen und Tumorversorgungen
Ziel dieser Forschungsarbeit ist die Entwicklung eines Prüfstands zur biomechanischen Evaluation von Tumorendoprothesen des Glenohumeralgelenks. Dieser Prüfstand soll die Möglichkeit bieten, verschiedene Ansatzpunkte der Sehnen und Muskeln des Schultergürtels nach einer Resektion biomechanisch zu testen. Ein erstes biomechanisches Set-up wird darauf abzielen, die Stabilität der Refixation der Rotatorenmanschette mittels Maschenplatte zu überprüfen. Diese Methode wird mit der klassischen Rekonstruktion mittels Cerclagen verglichen, um festzustellen, ob sie eine gleichwertige Stabilität bei der endoprothetischen Versorgung nach einer Tumorresektion mittels inverser Schultertotalendoprothese (iSTEP) bietet. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Einheilung und korrekten Positionierung der Tubercula, der Wiederherstellung der korrekten Höhe des Humeruskopfes sowie der Rekonstruktion des lateralen Offsets und der Retroversion. Die Einheilung wird durch die Zugkräfte der Bandstrukturen erschwert, die direkt nach der operativen Versorgung auftreten und die Refixation der Tubercula häufig wieder separieren. Bisherige Techniken zur Refixation der Tubercula, wie Faden- oder Metallcerclagen sowie Schrauben oder K-Drähte, haben sich als mechanisch instabil erwiesen. Daher wird die Nutzung einer Maschenplatte als alternative Methode vorgeschlagen und in dieser Arbeit biomechanisch evaluiert.
Erlebbare Anatomie für Hebammen
Im Rahmen des Projektes „Erlebbare Anatomie für Hebammen“ findet die kooperative Entwicklung eines realistischen und beweglichen weiblichen Beckens zur Abbildung des Geburtsvorgangs mit dem Studiengang Hebammenkunde der Universität Leipzig statt. Aktuelle Modelle beschränken sich in der Regel auf die Abbildung eines Teilaspektes der Hebammenausbildung. Es sind Modelle erhältlich, welche lediglich die Haptik oder die Anatomie abbilden. In diesem Projekt soll eine Lösung gefunden werden, um Untersuchungen im Rahmen der Geburt möglichst realitätsnah für Lehrzwecke abbilden zu können. Für die Realisierung des Modells sollen moderne, additive Fertigungstechnologien verwendet werden.
Trainingssystem zum Erlernen von orthopädischen Fertigkeiten
Ziel des Projektes OrthoMiniGames (OMG) ist die Entwicklung eines kompakten, einfach zu nutzenden Trainingsgerätes zum Erlernen von orthopädischen und unfallchirurgischen OP-Schritten an Wirbelsäule und Hüfte. Der Fokus liegt dabei auf der Auslegung und der validen Repräsentierung der Reaktionskräfte während der Bearbeitung von Knochen und der Instrumentierung von Implantaten im Körper. Zu diesem Zweck wird ein System zur Rückkopplung von Drehmomenten und axialen Kräften während häufig durchgeführter Handlungen am Knochen nachgebildet. Simuliert werden dabei die Wechselwirkungen der Werkzeuge und Implantate mit dem Knochengewebe, während zeitgleich die umliegende Anatomie mittels Augmented- oder Virtual-Reality-Technologie dargestellt wird, um eine realitätsnahe Umgebung zu schaffen.
Neuartiges Implantatsystem zur Versorgung von Humeruskopffrakturen
Ziel des FuE-Projektes ist die Entwicklung und Validierung eines intramedullären Abstützungssystems basierend auf einem kombinierten Nagel-Platten-Modul zur Behandlung proximaler Humeruskopffrakturen. Proximale Humerusfrakturen bilden annährend 5% aller Frakturen und sind damit die dritthäufigste Fraktur überhaupt. Gerade bei komplexer Frakturmorphologie kann eine kombinierte Platten- und Nagelosteosynthese die Vorteile beider Techniken in Hinsicht auf dynamische Stabilisierung und ausreichende Befestigung des Humeruskopfes verbinden. Der innovative Ansatz einer Verbindung beider Techniken soll mit einem auf die spezifische Anatomie des proximalen Humerus angepassten Implantat standardisiert werden können. Neben einer verbesserten medialen Abstützung soll auch die Stabilität in axialer und translatorischer Ebene erhöht werden. Zusätzlich soll auf diese Weise eine rotationsstabile Verbindung geschaffen werden, welche den frakturierten Knochen weiter stabilisiert.
Schutzbekleidung zur Vermeidung von Abschürfungen bei Sportunfällen
Intensives Training spielt in sämtlichen Sportarten eine entscheidende Rolle. Gerade im Leistungssport ist die körperliche Unversehrtheit essentiell für ein effektives Training. Häufig ergeben sich jedoch Trainingsausfälle durch traumatische Verletzungen infolge von Stürzen, wodurch die sportliche Leistung häufig rapide abnimmt. Vor allem bei Sommersportarten (Radfahren, Fußball etc.) sind starke Hautabschürfungen eine der häufigsten Verletzungen. Gerade bei großflächigen Abschürfungen ist oft eine lange Rekonvaleszenz erforderlich, da derartige Verletzungen nur langsam heilen und die einhergehende Verunreinigung zu schmerzhaften Infekten führen kann. Zur Vermeidung solcher den Trainingsbetrieb einschränkender Verletzungen soll im vorliegenden Projekt ein spezielles Schürfschutztextil entwickelt werden, das dem Sportler trotz notwendiger Schutzeigenschaften maximalen Tragekomfort bietet. Es handelt sich hierbei um ein Verbundprojekt zwischen der TU Dresden (Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik), der Universität Leipzig (ZESBO) sowie den beiden in der Textilindustrie angesiedelten Unternehmen Comazo GmbH + Co. KG und Anke Hammer StrickArt. Am ZESBO wird in diesem Zusammenhang ein Sturzsimulationsprüfstand entwickelt, mit Hilfe dessen die entsprechenden Schutztextilprototypen auf deren Funktionalität getestet werden.
Neuartiges Navigationskonzept für die iliosakrale Implantatchirurgie
Zur Behandlung und Kompression von Insuffizienzfrakturen des Sakrums werden gegenwärtig hauptsächlich transiliosakrale Schraubensysteme verwendet. Jedoch weisen diese aufgrund der Gefahr eines knöchernen Einbruchs im Kompressionsbereich der Beckenschaufel eine hohe Komplikationsrate auf. Ebenso ist die Implantation aufgrund der engmaschigen Innervation im Bereich des Sakrums problematisch. Dies führt bei Vorliegen eines sogenannten dysmorphen Sakrums zu einer hohen Implantatfehllage von ca. 25%, was mit erheblichen neuronalen Komplikationen assoziiert ist. In diesem Projekt soll in gemeinschaftlicher Arbeit mit der Deltacor GmbH ein Implantatsystem mit zugehörigem Navigationssystem entwickelt werden, welches diese Problematiken adressiert. Ist zusätzlich auch eine Versteifung des Iliosakralgelenks infolge von Instabilitäten im Gelenkspalt erforderlich, soll dies durch das hier geplante System ebenfalls möglich sein. Durch die Entwicklung eines zugehörigen Navigationssystems ist der Einsatz des Systems auch in kleineren Kliniken ohne intraoperative 3D-Bildgebung geplant, was eine infrastrukturunabhängigere Einsatzfähigkeit ermöglichen soll.
Biphasisches Implantat zur Behandlung von Defekten am Kniegelenk
Im Rahmen dieses Projekts soll ein patientenspezifisches biphasisches Implantat für die Therapie von großen osteochondralen Defekten entstehen, welches eine individuell auf den Defekt des Patienten zugeschnittene Geometrie aufweist. Die subchondrale Phase soll im Zuge dessen mittels 3D-Druck aus einem geeigneten resorbierbaren Biomaterial gefertigt werden und eine für die Migration von Knochenzellen optimale poröse Struktur aufzeigen. Für die chondrale Komponente wird ein an der KOUP entwickeltes, in der Zulassung befindliches, stammzellbasiertes Implantat verwendet. Die Komponenten sollen intraoperativ über eine zu entwickelnde Verbindungstechnologie vereint werden. Darüber hinaus sollen die Verbindungsfestigkeit der zwei Phasen sowie die Primärstabilität des gesamten Implantats an einem innerhalb des Projekts zu realisierenden Knieversuchsstand nachgewiesen werden.
Smarte Sensorik für Beinprothesen
Der Einstellprozess von marktüblichen Unter- oder Oberschenkelprothesen ist für den Orthopädietechniker und den Patienten ein sehr zeitaufwendiger und subjektiver Prozess. Um diese Anpassung zu erleichtern und zu verkürzen, sollen in diesem Projekt wiederverwendbare Sensormodule und eine Auswertesoftware entwickelt werden. Die Bearbeitung erfolgt dabei in enger Zusammenarbeit mit der MSB-Orthopädie-Technik GmbH Leipzig.
Multimaterial-3D-Modell der Wirbelsäule für die Operationsplanung
Gegenstand dieses Projekts ist die Entwicklung einer patientenspezifischen Nachbildung eines Bewegungssegments der Wirbelsäule, bestehend aus zwei Wirbeln und den dazwischenliegenden Bandstrukturen (Bandscheiben und Längsbänder). Das Replikat wird dabei aus verschiedenen Werkstoffen gefertigt und soll den individuellen biomechanischen Eigenschaften des Originals entsprechen. Generiert wird das Modell aus den computertomographischen Daten der Patienten und gefertigt mittels additiver Technologien. Das Verbundmodell wird hierbei in einem Prozessschritt erzeugt, wodurch ein fließender Übergang zwischen den Einzelkomponenten ermöglicht wird. Die Besonderheit des Modells liegt darin, sowohl knöcherne (Wirbel, Rippen) als auch ligamentöse Strukturen (Bandscheiben, Bänder) und deren Wechselwirkungen im Verbund biomechanisch exakt wiedergeben zu können. Komplexe Operationen mit sehr großem Planungsaufwand, wie beispielsweise die Versorgung von Skoliosen, könnten mit derartigen Modellen präziser geplant und vorbereitet werden. Dabei ist sowohl die exakte Planung von knochenentfernenden Schnitten (Osteotomien) und die Entfernung ligamentöser Strukturen (Liberation) als auch das sichere Einbringen von Schrauben maßgeblich, weshalb auf Basis dieses Modells auch patientenindividuelle Bohr- und Osteotomieschablonen entworfen werden sollen. Ziel des Einsatzes solch moderner Technologien ist somit die deutliche Erhöhung der Sicherheit sowie Verbesserung der Qualität der Patientenversorgung.
Entwicklung eines komplexen Wirbelsäulenprüfstandes
Um die Primärstabilität im Dauerfestigkeitsbereich von Fusionsimplantaten im Knochenverbund zu testen, wird ein Prüfstand entwickelt, der typische Bewegungen und Belastungen an der Wirbelsäule simulieren soll. Bei der biomechanischen Testung können die resultierenden Bewegungen der Knochen und Implantate optisch gemessen werden. Der Fokus liegt dabei auf Untersuchungen von verschiedenen Cage-Designs im Pedikelschrauben-Stab-Verbund. Durch die Untersuchungen von Relativbewegungen der Cages zum Knochen erhofft man sich Erkenntnisse zu sammeln, die zukünftig in der Implantatentwicklung berücksichtigt werden.
Patientenspezifische Trainingsorthese
Ziel des Projekts ist die Erforschung einer neuartigen physiotherapieunterstützenden Trainingsorthese. Der auf einer dynamischen Handorthese basierende leichtbauoptimierte Grundkörper wird anhand eines patientenspezifischen Modells additiv gefertigt und an die individuelle Anatomie sowie Bedürfnisse des Patienten angepasst. Der Versorgungsprozess unterliegt dabei einer neuartigen Prozesskette, die den Orthopädietechniker mittels digitaler Technologien unterstützt. In den Grundkörper wird ein neuartiger Einstellmechanismus zur stufenarmen Adaption der antagonistischen Lasten integriert. Darüber hinaus soll die Orthese vom Patienten und/oder Therapeuten ohne zusätzlichen Aufwand bedient werden können. Weiterhin ist die Integration hochflexibler Dünnschichtsensoren in den Grundkörper vorgesehen, die der Aufzeichnung und Visualisierung einzelner Gelenkbewegungen der Finger dienen. Dies ermöglicht das Self-Tracking durch den Patienten und die Therapiekontrolle durch den Therapeuten mit dem Ziel der Gewährleistung einer ganzheitlichen und individuellen Versorgung des Patienten.
Hybride Knochenersatzmaterialien für die Gesichtsschädel-Rekonstruktion
Die adäquate Behandlung von Knochendefekten des Gesichtsschädels unter Berücksichtigung von Ästhetik und Funktionalität stellt das Ziel dieses Projekts dar. Im Gegensatz zur derzeitigen Standardtherapie, wobei körpereigene Knochentransplantate z.B. aus dem Wadenbein oder Beckenknochen entnommen werden, beruht das neue Verfahren auf der Verwendung sogenannter hybrider Scaffolds. Dabei handelt es sich um ein defektspezifisches Gerüst, welches auf 3D-Daten bzw. -Simulationen beruht und im 3D-Druckverfahren sowie durch Gefrierschäumung hergestellt wird. Es besteht aus zwei Komponenten – der lasttragenden Gitterstruktur und einer formgebenden Knochenkeramik, die mit Wachstumsfaktoren versehen wird. Diese fördern den Regenerationsprozess und somit die Knochenneubildung, während die Knochenkeramik allmählich abgebaut und ersetzt wird. Knochenersatzmaterialen sollen im Rahmen des Projekts letztlich so weiterentwickelt werden, dass die natürliche Kraftverteilung im jeweiligen Knochen berücksichtigt und der Biomechanik mehr Rechnung getragen wird, da diese eine entscheidende Rolle in den Auf- und Abbauvorgängen von Knochengewebe spielen.
Validierung des Raumrotationstrainings bei Rückenschmerzen
Im Rahmen dieses Forschungsprojekts soll anhand einer Vorstudie die Aussagekraft der Trainingssteuerung des computergestützten Test- und Trainingsgerätesystems (CTT) Centaur (BfMC GmbH) überprüft sowie dessen Trainingseffektivität untersucht werden. Konkret ist mittels Patienten mit anhaltenden Schmerzen im Lendenwirbelsäulenbereich eine vergleichende Analyse durchzuführen. Hierfür wird die CTT Centaur basierte Defizitanalyse der zu untersuchenden Muskulatur mit der klinischen Auswertung der MRT-Bildgebung (Goldstandard) derselben Struktur verglichen. Der Trainingseffekt hingegen ist anhand eines prä-post-Vergleichs zu evaluieren. Zu diesem Zweck wird vor Trainingsbeginn und nach erfolgtem neunwöchigen Trainingsprogramm eine MRT-Aufnahme des Rumpfes angefertigt. Anschließend werden die Muskelvolumina der Regions of Interest mithilfe geeigneter Software bestimmt, verglichen und die gewonnenen Daten unter Berücksichtigung standardisierter Fragebögen entsprechend wissenschaftlich bewertet. Ein besonderes Augenmerk richtet die Studie dabei auf die willentlich nicht ansteuerbare Rückenmuskulatur, welche wesentlich für die Rückenschmerzgenese zu sein scheint.
Doppelplattenosteosynthese für die Versorgung von komplexen Humerusfrakturen
Komplexe proximale Humerusfrakturen stellen hohe Anforderungen an eine osteosynthetische Versorgung. Zahlreiche Risikofaktoren können im schlimmsten Fall zu einem Versagen der Plattenosteosynthese führen. Im Rahmen des Projekts sollte daher eine winkelstabile Osteosyntheseplatte entwickelt und validiert werden, welche die Rekonstruktion grob dislozierter multifragmentärer proximaler Humerusfrakturen unterstützt. Anders als bei aktuell verwendeten Osteosyntheseplatten wurde das Tuberculum minus miteinbezogen, um darüber eine mediale Säule zu schaffen. Die Vorteile der entwickelten Platte sind die mögliche mediale Abstützung und die damit einhergehende Verbesserung von Stabilität in axialer und translatorischer Ebene.
Computer-unterstützte OP-Planung für die Versorgung komplexer Beckenfrakturen
Das Ziel dieses Projekts war die Entwicklung eines individuell wandelbaren, parametrisierten Modellierungstools und die Ableitung von Erstellungskriterien zur medizinischen Finite-Elemente-Modellierung im Bereich des Beckens sowie die Schaffung einer einheitlichen Prüfmethodik zur Identifizierung biologischer Materialparameter des pelvinen Stütz- und Bewegungsapparates.
Implantate aus Form-Gedächtnis-Legierungen für die Wirbelsäulenchirurgie
Aktive Formgedächtniselemente können sich bei Temperaturänderung an eine eintrainierte Ausgangsform „erinnern“, dabei ihre Form verändern und Arbeit verrichten. In diesem Projekt wurden Formgedächtniselemente auf Basis von NiTi-Legierungen in Schraubenimplantate integriert, die durch Körperwärme aktiviert werden und spezielle Ausstellmechanismen auslösen. Nach dem Grundprinzip eines Dübels soll auf diese Weise selbstständig die primäre Verankerungsfestigkeit im osteoporotischen oder sonstig vorgeschädigten Knochen erhöht werden. Zur Prüfung dieses Sachverhalts wurden Materialtestungen am menschlichen Knochen sowie experimentelle und numerische biomechanische Untersuchungen bezüglich der Wechselwirkungen an der Knochen-Implantat-Schnittstelle durchgeführt.