Hardware-in-the-Loop-Simulation zur dynamischen Analyse der Schulter nach Gelenkersatz

• Antragsteller: Professor Dr. Rainer Bader; Dr.-Ing. Sven Herrmann; Professor Dr.-Ing. Christoph Woernle
• Fachliche Zuordnung: Orthopädie, Unfallchirurgie, rekonstruktive Chirurgie ; Mechanik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 343884963

Die Schulterendoprothetik hat sich mit stetig steigenden Zahlen in den letzten Jahren als Therapiestandard in der Orthopädischen Chirurgie etabliert. Die Anzahl der postoperativen Komplikationen bis hin zum funktionellen Versagen ist jedoch nur langsam rückläufig, da verschiedene Problemstellungen nach künstlichem Gelenkersatz der Schulter nicht gelöst sind. In diesem Zusammenhang fehlt bis heute ein genaues Verständnis der Versagensmechanismen, Gelenkinstabilitäten und Muskelfehlfunktionen. Dies gilt insbesondere für eine Identifizierung bzw. Quantifizierung relevanter Einflussfaktoren. Dafür sind biomechanische Untersuchungen notwendig, die Einblicke in den Komplikations- bzw. Versagenshergang unter in-vivo Bedingungen erlauben. Diesbezüglich weisen die bisherigen Versuchsansätze entscheidende Defizite auf. In experimentellen Untersuchungen ist es nicht möglich, den Muskelapparat des Schulterkomplexes und der oberen Extremität aktiv und reproduzierbar einzubinden. Ferner bleiben Versuche und experimentelle Messungen an Patienten aus ethischen Gründen stark limitiert. Ziel des beantragten Forschungsvorhabens ist es, mit Hilfe einer Hardware-in-the-Loop (HiL) Simulation eine detaillierte Analyse der komplexen Dynamik des endoprothetisch versorgten Schultergelenks unter in-vivo-ähnlichen Bedingungen durchzuführen. Dabei stehen ein muskuloskelettales Mehrkörpermodell und ein Roboter, der die Implantatkomponenten bewegt und belastet, in gegenseitiger Wechselwirkung. Im Mehrkörpermodell werden alle relevanten Muskelstrukturen, die für eine physiologische Hand- bzw. Armbewegung verantwortlich sind, abgebildet. Ein Hauptaugenmerk liegt auf der Muskel- und Gelenkkraftberechnung, die über einen inversdynamischen Ansatz im HiL-System realisiert wird. Zur Etablierung des Testsystems sind Erweiterungen der für die Analyse von Hüft- und Knieimplantaten entwickelten HiL-Simulationsumgebung notwendig. Ein zentraler Aspekt ist die Validierung des HiL-Ansatzes, die durch den Abgleich zu Messdaten von Patienten mit instrumentierter Schulterendoprothese realisiert werden soll. Der Fokus unseres Vorhabens liegt insbesondere auf der systematischen Erfassung möglicher Kausalketten bei physiologischen Bewegungen und Lasten, die im Zusammenhang zu Funktionsdefiziten, Gelenkinstabilität und Versagen der Schulterendoprothese stehen. Es sollen erste Untersuchungen hinsichtlich der dynamischen Wirkung verschiedener muskulärer Dysfunktionen auf das glenohumerale Gelenk durchgeführt werden. Weiterhin sollen mittels aktiver Bahnplanung vorhandene kinematische Redundanzen der Modelltopologie in alternative Gelenktrajektorien umgesetzt werden. Damit können komplikationsbehaftete Armbewegungen reproduzierbar simuliert werden. Im Ergebnis sollen physiologische Bewegungen und Belastungen der Schulter nach Gelenkersatz erstmalig unter Berücksichtigung der realen Kontaktverhältnisse und aller relevanten Muskelstrukturen des Schultergürtels und oberer Extremität abgebildet werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen