S 01/10: Scaffolds II

"Individuelle Herstellung von Beckenteilen (Scaffolds) zur Überbrückung von Defekten nach Tumorresektionen – 2. Phase"

Dr. med. Andreas Krieg, Kinderorthopädische Universitätsklinik, Universitätskinderspital beider Basel, Basel

(abgeschlossen 01/2012)

Der Ersatz von knöchernen Anteilen am Becken (insbesondere mit Beteiligung des Hüftgelenkes) nach Resektion eines Tumors, gehört zu den am wenigsten befriedigend gelösten Problemen in der onkologischen Orthopädie. Hauptgrund sind die komplexen anatomischen und biomechanischen Gegebenheiten am Becken: Metallene Prothesen haben eine hohe, mittelfristige Versagerrate aufgrund von Verankerungsproblemen. Allografts passen in der Form zu ungenau. Abstossungsreaktion und Infektion sind weitere Komplikationen, die zum Versagen dieser Methode führen. Ziel unseres Projektes ist die individuelle Herstellung von computergeformten Scaffolds zur Überbrückung von Defekten nach Tumorentfernung. Unsere Methode besteht aus mehreren Schritten: eine virtuelle Rekonstruktion des Defekts basierend auf einem statistischen Becken-Modell, computerunterstützte Optimierung der Scaffold-Geometrie und Fixations-Lösungen unter Berücksichtigung der patientenindividuellen Anatomie und Knochendichte, sowie die Optimierung des biomechanischen Verhaltens des ganzen Konstruktes.
Bis jetzt haben wir über 200 CT-Beckendatensätze gesammelt und daraus ein statistisches Oberflächen-Modell generiert. Die Rekonstruktionsmethode, basierend auf unserem dimorphischen statistischen Becken-Modell, erlaubt uns damit eine genaue virtuelle Rekonstruktion von komplexen und grossräumigen Defekten und gleichzeitig Generierung einer Vorgabe für die gewünschten Scaffolds.
In der jetzigen Projektphase haben wir weitere Optimierungen der Scaffold-Konstruktion unternommen (siehe Abb. 1). Vor allem im Bezug auf die Dicke und Form der Träger-Elemente, die Verteilung und Positionierung der Löcher für Schrauben und die Geometrie des Titan-Meshes. Die gewonnene Erfahrung in dem Scaffold-Planungsprozess lässt uns die Zeit, die man braucht, von der CT-Aufnahme bis zur Abgabe des Scaffold-Designs an den Implantathersteller (Fa. Mobelife, Leuven, Belgien) deutlich reduzieren. Jetzt sind das nur 7-10 Tage.
Weiterhin haben wir biomechanische Belastung-Experimente mit dem nativen Beckenpräparat (siehe Abb. 2 links) und mit dem implantierten Scaffold (mit Bioreaktor) durchgeführt (siehe Abb. 2 rechts). Bei der FE-Modellierung sind wir mit unseren Partnern weiterhin in der Phase der Parameter-Identifizierung, Simulation und Modell-Validierung. Mit der eigenentwickelten Software (das Programm MarkerViewer) analysieren wir die während der Belastungsexperimente entstandenen Becken-Deformationen.
Im Mittelpunkt der dritten Projektphase steht nun die Optimierung nicht nur der Scaffold-Konstruktion selbst, sondern auch verschiedener Aspekte des ganzen Scaffold-Planung-Prozesses und die klinische Anwendung.

Abb. 1. Optimierung des Scaffold-Design-Prozesses durch die in den ersten Planungen und Experimenten gewonnenen Erfahrungen mit der Methoden der Oberflächenverarbeitung als auch mit der Kräfteeinwirkung und mechanischer Beanspruchung.

Abb. 2. Biomechanische Tests vom Becken ohne Scaffold (links). Scaffold-Design mit einem Platz für einen Bioreaktor im Titan-Mesh-Bereich (rechts).

Publikationen:
Beat Göpfert, Zdzislaw Krol, Marie Freslier, Andreas Krieg

3D Video-Based Deformation Measurement of the Pelvis Bone under Dynamic Cyclic LoadingBioMedical Engineering Online DOI 10.1186/1475-925X-10-60
www.biomedical-engineering-online.com