Das Durchschnittsalter der Bevölkerung wächst – ebenso wie der Verschleiß von Knochen und Gelenken. Implantate und Prothesen können die Lebensqualität und Mobilität erhalten. Mit Lösungen von Siemens lassen sich die wertvollen Ersatzstücke maßgeschneidert herstellen.
Implantat. Bevor das Gelenk gefräst wird (oben ein Schulter-, unten ein Kniegelenk), wurde es bereits virtuell designt und seine Produktion optimiert.
In der orthopädischen Praxis gehört es zum Alltag: Ältere Menschen klagen über Schmerzen im Hüftgelenk, die sich teils schon über Jahre hinziehen. Röntgenbilder oder Aufnahmen eines Computertomographen (CT) offenbaren den Zustand des Gelenks. Diagnostizieren die Orthopäden einen fortgeschrittenen Verschleiß von Oberschenkelknochen, Knorpel oder Gelenkpfanne, kann nur ein künstlicher Gelenkersatz den Patienten von chronischen Schmerzen befreien. Die Zahl orthopädischer Eingriffe nimmt wegen der steigenden Lebenserwartung immer weiter zu. In den USA sind Gelenkerkrankungen die zweithäufigste chronische Krankheit, bei Frauen sogar die häufigste. In Deutschland liegt laut der Deutschen Gesellschaft für Orthopädie und Traumatologie die Zahl der jährlichen Gelenk- und Hüftimplantate bereits bei 200 000.
Bislang sind Implantathersteller kaum in der Lage, die rettenden Ersatzteile nach individuellen Vorlagen kurzfristig und kostengünstig zu fertigen. Die meisten Bearbeitungs- und Fräszentren sind zwar computergesteuert, aber auf Standardkomponenten mit begrenzter Größe und Form ausgelegt. Hingegen ist der Fertigungsprozess zur Herstellung von individuellen Implantaten kaum automatisiert. Prothesen „von der Stange“ werden daher auf Vorrat produziert, und Kliniken haben mitunter ein ganzes Sortiment an verschiedenen Modellen parat. Der Operateur setzt dann je nach Art und Umfang der Gelenkserkrankung die am besten passende Teilprothese oder einen kompletten Gelenkersatz mit Hilfe des Knochenzements PMMA (Polymethylmetacrylat) oder einer zementfreien Verankerungstechnik ein. Richtschnur dabei ist, möglichst viel natürlichen Knochenanteil zu erhalten, um den gesamten Bewegungsapparat stabil zu halten.
Vorgefertigte Hüft- oder Kniegelenke haben aber einen gravierenden Nachteil: Standardimplantate entsprechen nur selten exakt der anatomischen Form des zu ersetzenden Knochenteils. Der Chirurg muss deshalb die Knochen des Patienten so bearbeiten, dass sie dem Implantat einen festen Halt bieten. Dieser Verlust an Knochensubstanz ist der Preis für eine stabile Fixation des künstlichen Gelenks. Spätestens bei einer Wechseloperation kommen viele Patienten mit Standardkomponenten nicht mehr zurecht: „Es ist dann nicht leicht, erneut eine saubere Verankerung zu erzielen“, sagt Thomas Schneider, Facharzt für Orthopädie in Gundelfingen.
Digitale Individualisierung. Ein besserer Weg sind individuell auf den Patienten abgestimmte Implantate. Allerdings ist die Herstellung maßgeschneiderter Prothesen bisher wegen vieler manueller Arbeitsschritte sehr aufwändig und teuer. Dies soll sich nun dank einer optimierten Prozesskette ändern. So zeigen Bilder aus einem Siemens-Computertomographen sehr genau die räumliche Form kranker Gelenke, etwa mit einer Auflösung von 0,3 mm. Diese 3D-Scans eignen sich hervorragend, um ein naturgetreues Modell beschädigter oder zerstörter Knochenpartien und Gelenkoberflächen zu fertigen.
Für Karsten Schwarz, Leiter Anwendungstechnik im Technology and Application Center (TAC) von Siemens Industry in Erlangen, sind solche digitalen Daten der erste Schritt in einer Verfahrenskette, für die Siemens ein komplettes Technologiepaket geschnürt hat: „Uns ist es gelungen, die Herstellung von komplexen Hüft-, Knie- oder Dentalimplantaten in einer durchgängigen Prozesskette zu integrieren.“ Vorbild ist die in der Fertigungsindustrie seit vielen Jahren praktizierte dreidimensionale Planung eines Werkstücks am Computerbildschirm, das anschließend von einer speziellen Werkzeugmaschine automatisch hergestellt wird.
Während die herkömmliche Vorgehensweise auf patientenspezifische Konstruktionsdaten für ein passgenaues Implantat verzichtet, lassen sich mit Hilfe von 3D CT-Daten und der Software NX CAD/CAM von Siemens PLM am Bildschirm anatomisch maßgeschneiderte Modelle von Knochenkomponenten, Knorpeln oder Gelenken erstellen. Ärzte können dann mit den digitalisierten Röntgenaufnahmen die Operation planen – und sie reichen die Daten an die Werkstatt weiter. Dort wird das Implantat am Computer modelliert und der Befehlssatz für die Maschine erzeugt. Zudem spielt ein Simulationsprogramm den gesamten Fertigungsablauf durch. Damit ist zum einen sichergestellt, dass der Fertigungsprozess problemlos abläuft, und zum anderen kann durch die Feinoptimierung verhindert werden, dass teures Rohmaterial wie Titan oder Kobalt-Chrom verschwendet wird.
Läuft alles fehlerfrei und in der gewünschten Qualität und Geschwindigkeit ab, gibt der Simulator grünes Licht. Daraufhin fräst die Werkzeugmaschine in etwa 30 Minuten aus einem Titan-Block ein maßgeschneidertes Hüftgelenk. Ein letzter Feinschliff bringt das Gelenk in die gewünschte finale Form. Herzstück der Maschine ist ein System von Siemens Industry. Die Software steuert mit Hilfe spezieller Algorithmen vor allem das Fräsen, Drehen und Schleifen der sehr widerstandsfähigen Werkstoffe. Nicht ohne Stolz verweisen die Siemens-Entwickler auf die schnelle und flexible Anpassung des gesamten Fertigungsvorgangs, denn „in Zukunft werden individualisierte Implantate mit perfekter Passformgebung und Oberflächengüte nicht mehr wegzudenken sein“, prognostiziert Schwarz.
Optimierte Herstellung. Mit einem hohen Automatisierungsgrad der Prozesskette, so sind die Spezialisten überzeugt, lassen sich die teuren Maßprothesen wesentlich kostengünstiger herstellen. Flexible und vernetzte Bearbeitungszentren sind dann bestens aufeinander abgestimmt und bieten ein großes Einsparpotenzial bei Lager-, Arbeits- und Materialkosten. Während heute nur bei schweren Hüftkrankheiten oder grober Fehlstellung der Beine eine Spezialwerkstatt mit individuell angepassten Prothetikimplantaten beauftragt wird, öffnet das integrierte Fertigungsverfahren dank niedriger Herstellungskosten auch anderen Krankheitsbildern den Zugang zum Individualimplantat. Davon profitieren vor allem die Patienten, da individuelle Implantate wesentlich besser an ihre Biomechanik angepasst sind. Das reduziert den Materialverschleiß der Prothesen und beugt der gefürchteten Schaftlockerung vor, die durch Ermüdung der Implantatverankerung oder wegen einer unzureichenden Bandführung des Gelenks entsteht.