Künstliche Intelligenz Implantate überwachen direkt den Knochen
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Eine neue Generation intelligenter Implantate soll direkt am Knochen überwachen, ob Schienbeinbrüche heilen. Bei Bedarf sollen sie den Heilungsprozess über gezielte Bewegung direkt an der Bruchstelle aktiv anregen. Hieran arbeitet an der Universität des Saarlandes ein Forschungsteam aus Medizin, Ingenieurwissenschaft und Informatik. Auf dem Weg zum Prototyp gibt es bereits zwei Patente.

Jeder Unterschenkelbruch ist anders. Je nachdem, welche Kräfte auf den Knochen einwirkten, ist das Schadensbild verschieden: von großen Bruchstücken bis hin zu kleinteiligen Knochentrümmern. Eine übliche Behandlung besteht darin, ein Implantat in Standardgrößen mit den Knochenstücken zu verschrauben; die aktuellen Implantate sind jedoch rein passiv. Nur in zeitlichen Abständen und mit Verzögerung zeigt sich in Röntgenbildern, wie die Heilung verläuft.
„Dass der Knochen trotz Implantat nicht zusammenwächst, ist beim Schienbeinbruch eine relativ häufige Komplikation“, erzählt Professorin Bergita Ganse, die an der Universität des Saarlandes das Projekt „Smarte Implantate“ koordiniert. Im interdisziplinären Team entwickeln Mediziner, Ingenieure und Informatiker ein für Patienten individuell auf den Knochen maßgeschneidertes Implantat, das ab der Operation direkt vor Ort im Körper Informationen liefert, wie gut oder schlecht ein Bruch verheilt und bei Fehlbelastungen warnen kann.
Materialtechnik, künstliche Intelligenz und Medizin
Bei Bedarf soll das Implantat selbst die Knochenheilung aktiv fördern. Dazu kombinieren die Wissenschaftler Materialtechnik, künstliche Intelligenz sowie medizinisches Wissen. „Wir wollen mit den Implantaten die Bruchsteifigkeit und Bruchverschiebung permanent direkt an der Bruchstelle überwachen. Zeigen sich Probleme, soll das Implantat selbst aktiv gegensteuern, indem es sich bewegt oder versteift. Eingriffe sind nicht nötig“, erklärt Ganse.
„Wir müssen verschiedene komplexe Details und Zusammenhänge klären“. Noch ist nicht definiert, welche Kräfte, Frequenzen, Kraftrichtungen, Zeitdauern und Zeitperioden oder andere Stimuli das Implantat idealerweise liefern sollte. Eine der grundlegenden Neuentwicklungen ist der Einsatz von Formgedächtnisdrähten im Implantat. Im rechten Moment sollen sie die richtige „Krankengymnastik“ übernehmen. Hierzu bedarf es zahlreicher Daten und Informationen.
Haarfeine Drähte mit Formgedächtnis
Die haarfeinen Drähte mit Formgedächtnis bestehen aus Nickel-Titan. Hieran forschen an der Universität des Saarlandes Spezialisten für intelligente Materialsysteme um Professor Stefan Seelecke. Eingebaut im Implantat sollen die Drähte mithilfe elektrischer Signale zum einen als Sensor den Heilungsprozess sichtbar machen, zum anderen die Heilung durch Bewegung stimulieren.
Die Formgedächtnisdrähte nehmen ihre ursprüngliche Form wieder an, wenn sie verformt oder gezogen werden, und können ähnlich wie Muskeln an- und wieder entspannen. Auf kleinem Raum erreichen sie hohe Zugkraft; sie haben die höchste Energiedichte aller bekannten Antriebsmechanismen. Betrieben werden sie mit elektrischem Strom.
Algorithmen berechnen Bewegungsabläufe
Jeder Länge der Drähte lässt sich ein exakter Messwert des elektrischen Widerstands zuordnen. Sind die Drähte im Implantat eingebaut, lassen sich selbst kleinste Veränderungen im Frakturspalt in den Messwerten ablesen. Das macht diese künstlichen Muskeln zu Sensoren im Implantat.
Zugleich entspricht eine Abfolge solcher Messwerte einem Bewegungsablauf. Mithilfe der Zahlenkolonnen und intelligenten Algorithmen lassen sich Bewegungsabläufe vorausberechnen, programmieren und die Drähte entsprechend automatisiert ansteuern. So könnte das Implantat sich ohne Weiteres direkt am Frakturspalt bewegen und die Heilung durch aktives Verkürzen und Verlängern, durch Aussenden von Impulsen, Wellen oder elektromagnetischen Feldern stimulieren.
Aktuell arbeiten die Forscher an der Feinjustierung und den Details, um diese Muskeln für den Einsatz im Implantat fit zu machen.
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