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Grundkonzepte und Anwendungsbereiche Institut für Technologien der Biomechanik und Biomaterialien ITBB Prof. Dr.-Ing. Andrés Kecskeméthy Konzeptvorstellung ITBB Technologiepark Eurotec Moers, 8. Februar 2005 Institut für Technologien der Biomechanik und Biomaterialien – ITBB GmbH, Moers

Institut für Technologien der Biomechanik und ... · Prof. Dr.-Ing. Andrés Kecskeméthy Konzeptvorstellung ITBB Technologiepark Eurotec Moers, 8. Februar 2005 2 Institut für Technologien

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Grundkonzepte und Anwendungsbereiche

Institut für Technologien der Biomechanik und Biomaterialien ITBB

Prof. Dr.-Ing. Andrés KecskeméthyKonzeptvorstellung ITBB

Technologiepark EurotecMoers, 8. Februar 2005

Institut für Technologien der Biomechanik und Biomaterialien – ITBB GmbH, Moers

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Institut für Technologien der Biomechanik und Biomaterialien – ITBB GmbH, Moers

Potenziale Medizintechnik

Wirtschaftliche Potenziale der Medizintechnik:

es existieren 550 Firmen allein in Nordrhein-Westfalen im weiteren Umfeld der medizintechnischen Industrie

es wurden fast 13 Milliarden Euro im Jahr 2003 in Deutschland in der reinen Medizintechnik erwirtschaftet

Gesamtumsatz der Medizintechnik im breiteren Sinne (Inkl. Optik und Mechatronik) betrug im Jahr 2003 knapp 35 Milliarden Euro bei rund 253.000 Beschäftigten

der Weltmarktanteil von Deutschland beträgt 14 Prozent (dritter Platz nach USA und Japan)

Medizintechnik und Biomechanik sind dabei, weltweit zu einem bedeutenden Wirtschaftsmotor zu werden

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Potenziale Universität Duisburg-Essen

Verfügbare wissenschaftliche Disziplinen für den BereichBiomechanik und Biomaterialien an der Universität Duisburg-Essen

Neue Technologien der Biomechanik und

Biomaterialien

Produkt Engineering

Kontinuums-mechanik

Mechatronik (Biomechanik)

Kardiologie

Orthopädie

Ingenieurwissenschaften

Medizin

Werkstoffte(Biomaterialien)

MathematikPhysik

AnorganischeChemie

Natur- wissenschaften

Unfallchirurgie

Physiologie +Physiologische

Chemie

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Anwendungsbeispiele

Veranschaulichung der Anwendungspotenziale anhand von vier laufenden Projekten:

Therapieplanung für Kinder mit spastischer Diparese

Patientenspezifische Rekonstruktion der Knochenbewegung des Unterarms bei eingeschränkter Umwendbewegung

Untersuchung der Bewegung von HalswirbelpaarenVirtuelle und reale Individualknochenmodelle

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Anwendung 1: Therapie spastischer Diparese

Einsatz von Computersimulation zur Therapiebewertung und patientenspezifischer Planung von chirurgischen Eingriffen

Die engesetzte Therapie richtet sich nach dem Grad der Erkrankung:

medikamentöse Behandlung (muskelrelaxierende Wirkstoffe, „Botox“)

Physiotherapie

Ergotherapie

Orthopädie

Chirurgie (Sehnenverlängerung, Neurotomie, Myotomie, Osteotomie)

Minim

ierung des Eingriffs

Kra

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itsgr

ad

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Anwendung 1: Therapie spastischer Diparese

Zielsetzung: Modellreduktion nach Ganganalyse

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Anwendung 1: Therapie spastischer Diparese

Bewegungsvoraussage durch „direkte Dynamik“ (Muskelaktivierungenvorgegeben, Bewegung wird vorausberechnet)

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Anwendung 1: Therapie spastischer Diparese

Klinische Ganganalyse in der Prothetik:

Präoperative Messung

Postoperative Vergleichsmessung

Messung der Situation 4 Wo postoperativ

Vergleich der verschiedenen Zugänge(Standart vs. minimalinvasiver Zugang)

Vergleich der postoperativen Mobilisier-ung nach unterschiedlicher Therapie

Beurteilung des Einwachsverhaltens und möglicher Lockerung von Prothesen

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Anwendung 2: Rekonstruktion der Umwendbewegung des Unterarms

Von “Supination” (Handfläche nach oben) nach “Pronation” (Handflächenach unten) und zurück

ulna

radius

humerusEllbogen

Achse

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Anwendung 2: Rekonstruktion derUmwendbewegung des Unterarms

Hintergründe:20 % aller Knochenfrakturen bei Kindern treten im Unterarm auf

Behandlungsmethoden führen oft zu geometrischen Veränderungen der Unterarmknochen und zu Bewegungseinschränkungen

1995 lag die Rate der operativen Behandlung bei Kinder nach einer Fraktur bei 23 % 1

Entwicklungsziele:Einsatz von computergestützten Verfahren, um die Notwendigkeit von Operationen besser feststellen zu können (Reduktion von Operationskosten)

Optimierung der Operationsplanung

1 Quelle: A.F. Schärli (1995)

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Anwendung 2: Rekonstruktion derUmwendbewegung des Unterarms

MRT Messungen am Patienten (in vivo)

automatische Konturerkennung

+ Optimierung

Mechanisches Ersatzmodell

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Anwendung 3: Physikalischer Halswirbelsimulator

Täglich 550 Schleudertraumata durch Auffahrunfälle (Deutschland)Kosten für Diagnostik und Therapie: 0,5 bis 1,0 Milliarden Euro pro Jahr (Deutschland)Europaweite Kosten: 5 bis 10 Milliarden Euro pro Jahr

Ursachen:Das Schleudertrauma wird meist durch einen Autounfall hervorgerufen. Sportunfällen: z. B. beim Boxen, Tauchen, Karate, Judo oder Ringen. "Vergnügungsunfälle„: z. B. beim Achterbahn-oder Autoskooterfahren.

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Anwendung 3: Untersuchung von Halswirbelsäulenbelastungen

Computermodell der Halswirbelsäule

Facet-Gelenk

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Anwendung 3: Physikalischer Halswirbelsimulator

1) Zielsystem 2) Computer 3) Physikalisches Ersatzsystem

Arzt

Mechatronischer Ansatz: Realisierung eines geregelten physikalischen Simulators für die Nachbildung der HWS-Bewegung

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Anwendung 4: Virtuelle und reale Individualknochenmodelle

Aufbereitung medizinischer Schichtbilddaten (CT, MRT) zum VolumenmodellAnalyse signifikanter Bildmerkmale mit Methoden der industriellen BildverarbeitungReales Modell der Knochenstruktur aus Kunststoff, Holz, oder SchaumVirtuelles Modell mit unterschiedlichsten Features: Materialeigenschaften, Schnittdarstellung, etc. Aufbau einer Implantatdatenbank

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Zusammenfassung

Ingenieurwissenschaftliche Entwurfsmethodiken der letzten 20 Jahren können dazu beitragen, klinische Prozesse zu optimieren

Am Standort Moers bestehen sehr gute Möglichkeiten, zusammen mitder Universität Duisburg-Essen innovative, medizintechnische Produkte / Dienstleistungen zu entwickeln und zu vermarkten

Die Region und die Universität Duisburg-Essen haben ein hohes Potenzial, auf diesem Gebiet zu einem wichtigen Zentrum zu werden (Beispiel: Förderung einer Stiftungsjuniorprofessur für Biomechanik an der Universität Duisburg-Essen durch den Deutschen Stifterverband im Wettbewerb mit allen anderen bundesdeutschen Universitäten)