Individualisierung orthopädischer Implantate durch algorithmisches Entwerfen am Beispiel einer Hüftschaftprothese

In der modernen Medizintechnik nehmen orthopädische Implantate, insbesondere solche für Gelenke und Knochen, eine zentrale Rolle ein. Sie sind entscheidend für die Wiederherstellung der Funktion verlorener oder beschädigter Körperteile und tragen zur Verbesserung der Lebensqualität bei. Trotz der Vorteile konventioneller Implantate in standardisierten Größen, wie Kosteneffizienz und schnelle Verfügbarkeit, sind Probleme wie mangelnde Passgenauigkeit und der auftretende Effekt des Stress-Shieldings, die z. B. zu einer aseptischen Lockerung führen können, vorherrschend. Diese Limitationen resultieren oft in hohen Revisionsraten und erfordern eine gezielte Individualisierung der Implantate. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein umfassender Ansatz zur Individualisierung von orthopädischen Implantaten hinsichtlich der Form sowie der Topologie präsentiert. Im Fokus steht dabei die Entwicklung einer generischen Prozesskette innerhalb eines Knowledge-Based Engineering (KBE)-Systems, das in einer rechnerunterstützten Entwicklungsumgebung umgesetzt wird. Diese Prozesskette umfasst alle Schritte von der Datenerfassung bis zur Optimierung der individualisierten Implantatform und -topologie. Dafür werden Methoden und Werkzeuge, wie das algorithmische Entwerfen und numerische Optimierungen, angewendet, um individuelle Varianten zu entwerfen, die sowohl die Passgenauigkeit durch eine optimierte Form verbessern als auch den Effekt des Stress-Shieldings durch lokal angepasste Gitterstrukturen minimieren. Die Anwendbarkeit des methodischen Vorgehens und der Entwicklungsumgebung für die Individualisierung der Form und Topologie der orthopädischen Implantate erfolgt durch eine Fallstudie. Die Validierung der individualisierten Form erfolgt durch eine klinische Implantation einer Endo-Exo-Prothese in einen Hundekadaver und die der individualisierten Topologie durch Vergleiche mit klinisch validierten mikroskopischen Finite-Element (micro-FE) Modellen.Orthopedic implants, especially those for extremities, joints and bones, play a central role in modern medical technology. They are crucial for restoring the function of lost or damaged body parts and make a significant contribution to improving the quality of life. Despite the advantages of conventional implants in standardized sizes, such as cost-efficiency and rapid availability, prevalent issues include poor fit and the occurrence of stress shielding, which can lead to aseptic loosening, for example. These limitations often result in high revision rates and necessitate targeted customization of the implants. This thesis presents a comprehensive approach to the individualization of orthopedic implants in terms of shape and topology. The focus is on the development of a generic process chain within a knowledge-based engineering (KBE) system, which is implemented in a computer-aided development environment. This process chain includes all steps from data acquisition to the optimization of the individual implant shape and topology. Methods and tools such as algorithmic design and numerical optimization are used to design individual variants that both improve the accuracy of fit through an optimized shape and minimize the effect of stress shielding through locally adapted lattice structures. The applicability of the methodological approach and the development environment for individualizing the shape and topology of orthopedic implants is demonstrated in a case study. The validation of the individualized shape is performed by a clinical implantation of an endo-exo-prosthesis in a dog cadaver and that of the individualized topology by comparisons with clinically validated microscopic finite element (micro-FE) models