Wie wir nur allzu oft feststellen, kann ein Heilmittel, das in der aktuellen medizinischen Praxis als Stand der Technik gilt, zu zukünftigen Problemen für den Patienten führen. Medizinische Geräte und biotechnologische Behandlungen können das unmittelbare Gesundheitsproblem lösen und vielleicht das Leben des Patienten retten, aber unvorhergesehene Komplikationen oder Einschränkungen im Lebenszyklus der Technologie können dazu führen, dass eine zukünftige medizinische Behandlung oder Reparatur erforderlich wird.
Dies ist der Fall bei Personen, die sich einer Hüfttotalendoprothese (THR) unterzogen haben, die im Laufe der Zeit zu Osteolysen führen kann. Ein solcher Knochenabbau wurde auf der Konsensuskonferenz der National Institutes of Health über den totalen Hüftgelenkersatz als die bedeutendste langfristige unerwünschte Auswirkung im Zusammenhang mit THR genannt. Die Inzidenz der periprothetischen Osteolyse ist in vielen Studien höher als die Summe aller anderen Komplikationen. Im schwedischen Register für Hüfttotalendoprothesen machte die Osteolyse mehr als 75 % der Patienten aus, die sich einer Revisionsoperation an der Hüfte unterzogen.
Aktuelle Behandlung von Osteolyse
Der Knochenabbau ist ein ernsthaftes Problem in der Hüftpfanne, da er dazu führt, dass sich die Implantatpfanne lockert und die Hüfte instabil wird. Das Gehen wird schwierig, und Stürze sind besonders schwerwiegend, da viele der behandelten Patienten ältere Menschen sind. In vielen Fällen ist eine Revisionsoperation erforderlich.
Osteolyse entsteht in der Regel durch die Abnutzung der Polyethylenauskleidung des Hüftimplantats, wobei Partikel freigesetzt werden, die zu Knochenverlust führen. Bei der weniger invasiven Behandlung von Osteolysen verwenden Chirurgen üblicherweise starre Instrumente, um die entstandene Läsion abzutragen. Mit diesen unflexiblen Instrumenten können jedoch komplexe Läsionsformen, die etwa 50 % der Fälle ausmachen, nicht vollständig behandelt werden.
Johns Hopkins Engineering F&E
Forscher am Laboratory for Computational Sensing and Robotics in der Abteilung für Maschinenbau der Johns Hopkins University wollen die Revisionshüftoperation durch ein Verfahren ersetzen, das fortschrittliche Formsensoren mit Robotik kombiniert. Das Hauptziel besteht darin, die Bereiche der Hüftpfanne zu erweitern, die erreicht werden können, um Läsionen für eine weniger invasive Reparaturlösung zu entfernen, und die Zahl der behandelbaren Fälle zu erhöhen.
Der Roboter ist eine 35 mm lange röhrenförmige Struktur mit einem Innendurchmesser von 6 mm. Seine Flexibilität ermöglicht eine Biegung nach rechts oder links und sogar eine S-Biegung. Ein 4 mm großes Lumen im Inneren dient zum Durchführen von Werkzeugen für den Debridement-Prozess sowie zum Absaugen des entfernten Materials. Die Verwendung eines flexiblen Werkzeugs bringt die Schwierigkeit mit sich, den Roboter zu steuern. Doktorand Shahriar Sefati, der an der nächsten Entwicklungsphase arbeitet, erklärt: "Schwierig wird es, wenn man große Krümmungen machen will. 137 Grad Biegung bei einem flexiblen Roboter sind sehr viel, und der wichtigste Teil ist jetzt die Steuerung des Roboters."
Shahriar und das LCSR-Team erkannten, dass spezielle Sensoren erforderlich waren, um festzustellen, wo sich der Roboter befindet und wie die Form während der Reparaturoperation in Echtzeit konfiguriert ist. Zwei Kanäle auf der Schlange waren für winzige faseroptische Formsensoren vorgesehen, die eine hochpräzise Fertigung erforderten. Da es auf Genauigkeit ankam, wandte sich Shahriar an Potomac, um die für die Struktur erforderlichen Kerben mit einem Durchmesser von 150 Mikrometern in Nitinol-Draht herzustellen.
Laser-Mikrobearbeitung winziger Strukturen in Nitinol
Da Potomac im Laufe der Jahre für viele Kunden aus der Medizintechnik mit Formgedächtnislegierungen wie Nitinol gearbeitet hat, kannten wir die für diese Aufgabe erforderliche Wechselwirkung zwischen Laser und Material genau. Wie Shahriar erwähnte, war die Genauigkeit aus mehreren Gründen wichtig. Die Kerben mit einem Durchmesser von 150 Mikrometern mussten über die gesamte Länge der Struktur von 35 mm tolerant bleiben. Und er fügt hinzu: "Die Genauigkeit dieser kleinen Teile war wichtig, da die gesamte Baugruppe gut zusammenpassen muss."
Die Laser von Potomac können Punktgrößen von nur 1 Mikrometer erzeugen, so dass die Größe von 150 Mikrometer Durchmesser leicht herzustellen war. Unser Know-how bei der Herstellung von Teilen mit hoher Genauigkeit und engen Toleranzen ist jedoch das Ergebnis umfangreicher Vorrichtungen, Werkzeuge, Laserstrahlsteuerung und anderer hochentwickelter Fertigungsverfahren. Bei der Lasermikrobearbeitung werden viele Verfahren kombiniert, um kleine Bauteile herzustellen, wie sie für den hier beschriebenen Roboterformsensor benötigt werden.
Obwohl wir gerne Teile und Geräte für unsere Kunden in allen Branchen herstellen, von der Biotechnologie über medizinische Geräte und Displays bis hin zu Konsumgütern, ist es eine besondere Freude, mit Gruppen wie dem Laboratory for Computational Sensing and Robotics zusammenzuarbeiten, um die Gesundheitsversorgung der Menschheit zu verbessern.
