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Besser als Augapfel: Sensoren helfen bei Gelenkersatzoperationen
Knie- und Hüftgelenksersatzoperationen nehmen zusammen mit der wachsenden Bevölkerung der über 60-Jährigen zu. ADI-Sensoren verbessern Geräte, die bei der chirurgischen Navigation zu einem geringeren Preis als bei herkömmlichen computergestützten chirurgischen Systemen und genauer als bei manuellen Methoden helfen. 18. Januar 2017
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Mit zunehmender Zahl der über 60-Jährigen steigt auch die Notwendigkeit von Gelenkersatzoperationen. Nach Angaben der U.S. Centers for Disease Control werden allein in den Vereinigten Staaten jedes Jahr etwa eine Million Knie- und Hüftoperationen durchgeführt.
Die altersbedingte Verschlechterung der Gelenke erfordert mit zunehmender Lebenserwartung häufig einen medizinischen Eingriff. Untersuchungen zeigen, dass die Zahl solcher Operationen, die sich bereits im Aufschwung befindet, voraussichtlich weiter dramatisch steigen wird: Die Zahl der Hüftgelenksersatzoperationen wird sich in den 20 Jahren von 2005 bis 2025 voraussichtlich [fast verdreifachen], zusammen mit der Zahl der Kniegelenksersatzoperationen um mehr als 650 Prozent im gleichen Zeitraum gestiegen, laut einer Studie, die kürzlich auf einer Jahrestagung der American Academy of Orthopaedic Surgeons vorgestellt wurde.
Fazit: Der Bedarf an Ersatzoperationen, die genau, effizient und kostengünstig sind, hat ebenfalls exponentiell zugenommen. Um dieser Nachfrage gerecht zu werden, hat OrthAlign, Inc., ein Medizintechnikunternehmen, ein handflächengroßes Einweggerät entwickelt, das mit Sensoren von Analog Devices, Inc. (ADI) ausgestattet ist. Chirurgen können das Gerät verwenden, um ihnen bei der Navigation während der Operation zu helfen und Hüft- und Kniegelenke bei diesen immer häufigeren, aber immer noch kniffligen Operationen schneller und genauer auszurichten.
Die OrthAlign-Geräte liefern Operationsteams Echtzeitdaten und Feedback zur Gelenkpositionierung und -neuausrichtung, ohne dass die Teams zusätzliche Zeit benötigen oder zusätzliche Anstrengungen unternehmen müssen. Sie tragen dazu bei, die chirurgische Präzision zu verbessern und gleichzeitig die Kosten zu senken, was zu erheblichen Vorteilen sowohl für die schnell wachsende Zahl von Patienten führt, die einen Hüft- oder Knieersatz benötigen, als auch für das Gesundheitssystem insgesamt.
Die Idee war, etwas zu entwickeln, das die Genauigkeit der [chirurgischen] Navigation aufrechterhalten kann, aber schnell, einfach und benutzerfreundlich ist, sagt Orthopäde David J. Mayman, der die Technologie bei seiner Arbeit in New York City einsetzt Krankenhaus für spezielle Chirurgie.
Verbesserung der chirurgischen Ergebnisse
Typischerweise beinhalten solche Ersetzungen Chirurgen, die das Knie oder die Hüfte neu ausrichten, indem sie eine Stange einführen und ihre Ausrichtung mit Hilfe mechanischer Führungen manuell mit Augenmaß überprüfen. Eine andere Methode beinhaltet die computergestützte Chirurgie (CAS), bei der Chirurgen computergestützte Tracking-Systeme oder Robotergeräte verwenden, um ihre Sicht zu verbessern und die Genauigkeit des Eingriffs zu erhöhen. Die Herausforderung: Herkömmliche CAS-Systeme sind zwar recht genau, nehmen aber viel Platz im Operationssaal ein. Typischerweise sind sie auch teuer, mit Preisschildern in Höhe von mehreren Millionen Dollar.
Was die OrthAlign-Geräte von herkömmlichen CAS-Systemen unterscheidet, ist die relativ kompakte Größe der Geräte, die die Sensortechnologie des mikroelektromechanischen Systems (MEMS) iSensor von ADI enthalten. Die Technologiefamilien OrthAlign Plus und KneeAlign des Unternehmens bieten fortschrittliche Navigations- und Sensorfunktionen dieser Geräte und integrieren sie nahtlos in den Arbeitsablauf des Chirurgen. In einem Bereich, in dem Präzision für erfolgreiche Ergebnisse von grundlegender Bedeutung ist, erfüllen und übertreffen die Geräte von OrthAlign alle Ausrichtungs-Benchmarks und übertreffen nicht nur herkömmliche mechanische Führungen in der Leistung, sondern erreichen auch die Präzision von CAS-Systemen – und das alles laut Angaben zu geringeren Kosten das Unternehmen.
Anstatt eine kamerabasierte Navigation in ihre Lösungen zu integrieren – was die Kosten und Größe eines chirurgischen Navigationssystems erheblich erhöhen würde – verwendet das Designteam von OrthAlign die ADI iSensor MEMS-Inertial Measurement Unit (IMU)-Technologie. Im Falle eines Kniegelenksersatzes ermöglicht die IMU beispielsweise einem orthopädischen Chirurgen, innerhalb von Sekunden das Rotationszentrum des Oberschenkelknochens eines Patienten zu bestimmen. Während das Knie des Patienten einer vollständigen Bewegung unterzogen wird, kann MEMS IMU schnell Entscheidungen treffen und präziser arbeiten.
Die in den Geräten verwendeten ADI-Sensoren sind die gleichen IMUs, die in einer Vielzahl anderer Produkte verwendet werden, von Lenkflugkörpern bis hin zu Drohnen.
Für die OrthAlign-Produkte verwenden wir einige Technologien, die Menschen von ihren Smartphones oder sogar aus der Militärtechnologie wie Drohnen- und Raketenführung kennen, sagt Jonathan Nielsen, Direktor für Produktentwicklung bei OrthAlign. Wir verwenden Beschleunigungsmesser und Gyroskope, beides Arten von Trägheitssensoren, die, wenn sie eine signifikant hohe Leistung aufweisen und mit Sensorverarbeitung kombiniert werden, Anwendungen wie die unsere wirklich ermöglichen.
Die ADI-Technologien, die Teil der OrthAlign-Chirurgiegeräte sind, wurden erstmals vor etwa 30 Jahren in der Automobilindustrie eingesetzt, ursprünglich um die Bedingungen zu erkennen, die zum Auslösen von Airbags erforderlich sind. Vor etwa einem Jahrzehnt begann ADI damit, seine Trägheitstechnologie für einen breiteren Einsatz in anderen Branchen neu zu positionieren, sagt Bob Scannell, Business Development Manager für Trägheits-MEMS-Produkte von ADI.
Aufgrund der Fähigkeiten, die ursprünglich von der Automobilwelt angetrieben wurden, konnten wir eine ziemlich einzigartige Technologiebasis mit Hochleistungssensoren zu relativ geringen Kosten entwickeln, sagt Scannell. Als wir uns auf die industrielle Anwendungsbasis konzentrierten, wurde der Wert unserer Technologie für diesen aufkommenden Bedarf, präzise Bewegungen unter komplexen und sicherheitskritischen Bedingungen zu erkennen, schnell klar und führte auch zu noch schnelleren Fortschritten in der Hochleistungs-Trägheitssensorik.
Eine Zusammenarbeit, die zu Präzision und Innovation führt
ADI arbeitete eng mit OrthAlign zusammen, um Produkte bereitzustellen, die nicht nur die Designvision des Unternehmens ermöglichen, sondern auch schneller auf den Markt kommen würden. Das ADI iSensor MEMS IMU-Designteam war aktiv an der Entwicklungsphase von OrthAlign beteiligt, analysierte ihre Daten und gab Einblicke in die Abstimmung und Interpretation der Sensordaten und führte zusätzliche anwendungsspezifische Qualifikationstests durch. Dadurch konnte sich OrthAlign voll und ganz auf die Back-End-Verarbeitung und die Gesamtsystemintegration konzentrieren.
Die in die OrthAlign-Lösung integrierte ADI iSensor MEMS IMU bietet Messungen mit sechs Freiheitsgraden über drei Beschleunigungsmesser und drei Gyroskope, die lineare bzw. Winkelgeschwindigkeitsbewegungen erfassen. Der ADI iSensor MEMS IMU ist aufgrund seiner proprietären Sensortechniken in der Lage, die Bewegung eines Instruments auf allen Achsen auch unter anspruchsvollen Betriebsbedingungen präzise zu verfolgen, die auch unerwünschte Bewegungen wie Vibrationen, Stöße und Gravitationseinflüsse effizient zurückweisen.
Das kompakte ADI iSensor MEMS IMU-Gerät bietet Zugriff auf temperaturkalibrierte und dynamisch kompensierte Sensordaten über eine standardmäßige SPI-Schnittstelle (Digital Serial Peripheral Interface) und ermöglicht es dem Benutzer, die Sensorfilterung und -verarbeitung digital abzustimmen, um sie an mehrere Anwendungen anzupassen Szenarien.
Als Chirurgen mögen wir keine Überraschungen. Es ist wirklich schön, im Operationssaal zu sein und Zahlen vom Gerät vor sich zu haben, sagt Mayman. Als Chirurg gibt es nichts Schlimmeres, als wenn Sie Ihre Röntgenaufnahme nach der Operation sehen und denken: „Oh, das habe ich nicht gedacht.“ Es ist also [hilfreich], dieses Selbstvertrauen zu haben, um weitermachen und sagen zu können: 'Ich weiß, dass das richtig ist.'
Um mehr über Analog Devices zu erfahren, besuchen Sie analog.com . Um mehr über OrthAlign zu erfahren, besuchen Sie orthalign.com .