Die weltweit steigende Zahl älterer Menschen führt zu einem Anstieg an Hüftimplantationen und anderen Gelenkersatzoperationen. Dadurch wächst auch der Bedarf an gut ausgebildeten orthopädischen Chirurgen, aber das praxisnahe Training dieser Operationen ist sehr schwierig zu realisieren. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Technischen Universität Chemnitz und der Universität Bremen entwickeln daher im Projekt „Dynamic HIPS“ einen dynamischen Hüftimplantatsimulator. Er soll den Ärztinnen und Ärzten für Übungen zur Verfügung stehen und ein realistisches Gefühl für den Eingriff vermitteln.

Gleiche Sinneswahrnehmungen wie bei einer realen Operation

Operationen werden zur Schonung des Patienten oft in möglichst kleinen Operationsöffnungen durchgeführt. Dadurch operiert der Chirurg sehr stark nach Gefühl. Bei Operationen wie dem Einsatz einer Hüftprothese sind gleichzeitig auch manuelle Tätigkeiten mit hohen Kräften erforderlich. Für den Erfolg der OP ist es sehr wichtig, diese Tätigkeiten so präzise wie möglich auszuführen. Bis jetzt fehlt es aber an Trainingsgeräten, die den Chirurgen genau die gleichen Sinneswahrnehmungen vermitteln können, die sie auch bei einer realen Operation spüren würden, zum Beispiel den Widerstand des Knochens beim Sägen und Ausschaben.

Das Projekt Dynamic HIPS hat sich daher mehrere Ziele gesetzt, die es ermöglichen, die benötigten Trainingsgeräte zu entwickeln. Die Forscher wollen die Kräfte, Drehmomente und Geschwindigkeiten bestimmen, die bei den drei zu simulierenden Operationsschritten auftreten. Auf dieser Basis wollen sie einen Roboterarm und bestehende Haptikgeräte – das sind Geräte, die realistische Sinneswahrnehmungen vermitteln können – weiterentwickeln. Ebenfalls wichtig ist die Schaffung eines mathematischen Modells, das die Widerstände und den Materialabtrag am Knochen simuliert. Diese Informationen müssen innerhalb einer Millisekunde an den Roboter übermittelt werden, um den Chirurgen ein realistisches Gefühl zu vermitteln.

Experten können aus anderen Teilen der Welt hinzugeschaltet werden

Ein zweites Bündel an Zielen befasst sich mit der VR-Technologie, die das gemeinsame Training über große Distanzen hinweg ermöglicht („Remote-Training“). Mit Hilfe eines Multi-User-Systems können erfahrene Chirurgen ihre medizinische Expertise an auszubildende Chirurgen weitergeben, ohne selbst vor Ort zu sein. Diese Funktionalität erleichtert nicht nur den Transfer von medizinischer Expertise in Schwellen- und Entwicklungsländer, sondern dient auch dem Erkenntnisaustausch zwischen erfahrenen Chirurgen.

An dem Projekt beteiligen sich neben der Universität Bremen und der Technischen Universität Chemnitz (Professur Werkzeugmaschinen und Umformtechnik sowie Professur Arbeitswissenschaft und Innovationsmanagement) auch die Unternehmen FAKT Software GmbH, Haption GmbH, CAT Production GmbH und YOUSE GmbH. Ein Teil des Konsortiums hatte im Vorläuferprojekt HIPS („HüftImplantatPfannenfräsSimulator“) bereits einen Trainingssimulator zum Ausfräsen der Hüftgelenkpfanne entwickelt.

Von medizinischer Seite wird die Entwicklung von der Klinik für Orthopädie, Unfallchirurgie und Plastische Chirurgie des Universitätsklinikums Leipzig, dem Zentrum zur Erforschung der Stütz- und Bewegungsorgane (ZESBO), dem Institut für makroskopische klinische Anatomie der Medizinischen Universität Graz (Österreich) sowie der Medizintechnik-Abteilung des Fraunhofer Instituts für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) begleitet.

Das gesamte Entwicklungsvorgehen in Dynamic HIPS erfolgt nutzerzentriert. Orthopädische Chirurgen werden bei der Ausarbeitung der detaillierten Anforderungen sowie zur Gestaltung und Bewertung der Lösungen einbezogen. Die letzte Projektphase umfasst zudem eine umfangreiche Nutzerstudie.