Berechnungsverfahren haben sich in der Medizintechnik noch bei weitem nicht so stark durchgesetzt, wie im Automobilbau. Die Entwicklungen medizinischer Produkte wie Wundauflagen und Prothesen, medizinischer Geräte wie OP-Tische, OP-Besteck, OP-Scheren, Endoskope usw. sind stark von Versuchen getrieben. Es wird sehr viel getestet, es werden Tierversuche vorgenommen und aufwändige, langwierige und teure klinische Versuchsreihen an Menschen durchgeführt, bis Produkte eingesetzt werden dürfen.

Betrachtet man z.B. Prothesen, werden diese von Orthopädie-Technikern handgefertigt. Kritische werden aufgrund von Erfahrungen und Schadensfällen verstärkt. Die Form des Stumpfes wird zwar gescannt, aber elastische Bereiche, Verstärkungen und Rippen des Schaftes sind eher willkürlich angeordnet.
Werden die Prothesen über 3D-Drucker gedruckt, liegen nur wenig Erfahrungswerte über ertragbare Spannungen zugrunde. Die Lastverteilung, die wesentlich den Tragekomfort einer Prothese bestimmt, ist weitgehend unbekannt.

Bild 1 Fußprothese aus 3D-Druck

Wie Sicherheit erkauft wird

Diese Entwicklungsprozesse bei medizintechnischen Produkten sind sehr aufwändig, teuer und auch unsicher. Sicherheit wird oftmals dadurch erkauft, dass Bauteile überdimensioniert sind bzw. nach zu kurzer Zeit ersetzt werden müssen. Interaktionen mit dem Menschen werden über Versuche bewertet. Dies kostet Zeit und Geld.

Bild 2 Finite-Elemente Spannungsverteilung der Prothese

Wie kann eine Simulation aussehen?

Simulationen sowohl bei Strömungsberechnungen CFD als auch im Festigkeitsbereich FEM können die Entwicklungsprozesse stark beschleunigen.

Die Simulation kann unterteilt werden in rein technische Simulationen wie z.B. einem OP-Tisch, einer OP-Leuchte, einer Zange, einer Pumpe oder einer Spritze und in Simulationen, bei denen Interaktionen mit menschlichen Körpern stattfindet.
Beispiele sind hier Wundauflagen, Dekubitus-Matratzen, Exoskelette, Prothesen, Stents und Implantate.

Zwischenzeitlich gibt es Körpermodelle bzw. Teilkörpermodelle für Finite-Elemente-Untersuchungen, welche Knochen, Muskeln, Sehnen und Haut genau abbilden können. Auch hier ist die Automobilindustrie weit voraus, welche detaillierte Körperdummies für ihre virtuellen Crashversuche nutzt.

Es ist aber auch möglich, anhand von Röntgenaufnahmen, CT und MRT-Aufnahmen gezielt die Verhältnisse eines einzelnen Patienten als FE-Modell zu erstellen und diverse Berechnungen durchzuführen.

 

Bild 3 Strömungssimulation CFD in einer Nase aus einem CT-Scan

Wie in einem Blogartikel genauer beschrieben, kann man anhand eines CT-Scans des Nasenraumes Aussagen darüber treffen, wie erfolgreich eine Nasen-OP, bei der Teile der Nasenscheidewand entfernt werden, bezüglich einer freieren Atmung ist.

Diese Entwicklungsprozesse bei medizintechnischen Produkten sind sehr aufwändig, teuer und auch unsicher. Sicherheit wird oftmals dadurch erkauft, dass Bauteile überdimensioniert sind bzw. nach zu kurzer Zeit ersetzt werden müssen. Interaktionen mit dem Menschen werden über Versuche bewertet. Dies kostet Zeit und Geld.

Bild 4 Spannungsverteilung einer Wundauflage am menschlichen Körper

Was sind die Vorteile der Simulation

Der Vorteil der Simulation liegt zum einen darin, dass Unsichtbares sichtbar wird, z.B. die Druckverteilung eines Stumpfes in einem Prothesenschaft oder die Strömungsverhältnisse in einem Endoskop oder das die Belastung von Körper oder technischem Bauteil bestimmt und mit zulässigen Werten verglichen werden kann.

Diese Informationen lassen sich gezielt nutzen, um Bauteile zu optimieren, leichter, sicherer und bequemer zu machen und die Lebensdauer zu erhöhen.

Bild 5 Festigkeitsanalyse an einem OP-Tisch

Der Entwicklungszeitraum für ein Produkt wird teilweise drastisch reduziert, was sich in den Entwicklungskosten widerspiegelt.

Zum anderen lassen sich klinische Versuche abkürzen. Werden z.B. Tumore durch Wärme behandelt, lassen sich im Simulationsmodell auch an beliebigen Stellen die Temperaturen ohne einen invasiven Eingriff bestimmen. Die Erwärmung durch entsprechende Vorrichtungen kann gezielt optimiert werden.

Auch lassen sich Szenarien in der Simulation durchspielen, die am lebenden Menschen gesetzlich verboten sind. Man denke nur an Kältekammerversuche bei -70°C, um Schutzkleidungen zu testen.

Bild 6 Strömungsanalyse CFD einer Laborzentrifuge

Anmerkung

Merkle & Partner ist Netzwerkpartner von Space2Health, einem Netzwerk, das Lösungsansätze aus der Medizin, der Medizintechnik und der Luft- und Raumfahrt miteinander verbindet.

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Stefan Merkle
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