Orthopädie

[Arbeitsprobe]:

Smarte Implantate melden Lockerung und Infektion

Werden orthopädische Implantate künftig medizinisch relevante Informationen aus dem Körper der Patienten senden? Werden sie Lockerungen oder Infektionen „melden“? Vielleicht. Manches beginnt bereits Realität zu werden.

„Bitte wenden!“ teilt uns das Navigationssystem im Auto mit, wenn wir in die falsche Straße eingebogen sind. LCD-Monitore passen Helligkeit und Farbtemperatur selbständig dem Umgebungslicht an. Demnächst wird uns der Kühlschrank warnen, wenn die Milch zur Neige geht. Und mit Sensoren bestückte Sportbekleidung sagt uns, ob wir beim Tennis den Schlag von der Grundlinie vermasselt haben. Technisches Feedback im Alltag nimmt zu, auch in der Medizin. Man denke an moderne Herzschrittmacher oder Versuche, autonom arbeitende Insulinpumpen für Diabetiker zu entwickeln.

In einem US-amerikanischen Orthopädie-Internetblog zeigen sich Insider überzeugt davon, dass orthopädische Implantate künftig Sensoren enthalten werden, die Belastungen, Temperatur, Bakterien oder pH-Wert erfassen und Probleme rechtzeitig melden werden. Wann ist ein gebrochener Rückenwirbel nach der Operation wieder belastungsstabil? Verheilt der osteosynthetisch stabilisierte Knochen oder bildet sich eine Pseudarthrose? Wo es bisher viel Erfahrung braucht und allenfalls ein Röntgenbild zur Verfügung steht, um diese Fragen zu beantworten, soll Elektronik im Körper uns künftig Gewissheit verschaffen, ja womöglich Warnsignale senden, zum Beispiel ans Mobiltelefon. Wäre es nicht hilfreich, wenn frisch implantierte Prothesen oder Osteosynthesematerialien dem Patienten oder dem Physiotherapeuten Überlastungen melden? Oder wenn sie im Falle einer Infektion gleich selbständig Antibiotika freisetzen? Motto: „Analyze and treat!“
Intelligente Bomben

Dr. Javad Parvizi vom Rothman-Institut am Thomas Jefferson University Hospital in Philadelphia und seine Kollegen haben ein mit einem Antibiotikum „bewaffnetes“ Titanimplantat entwickelt. Dieses Antibiotikum wird nur freigesetzt, wenn vom Implantat Bakterien wahrgenommen werden, und zwar bei einem Abfall des pH-Wertes in der Umgebung. Parvizi spricht von „smarten Bomben“, die explodieren würden, sobald Bakterien die Szene betreten. Selbst späte Infektionen Jahre nachdem ein solches Implantat eingesetzt worden ist, könnten auf diese Weise rechtzeitig und erfolgreich bekämpft werden, heißt es.

Wenig wusste man bislang darüber, wie stark die Gelenke und orthopädischen Implantate im Körper wirklich belastet werden. Messen kann man dies, indem man in die Implantate Mikroelektronik und drahtlose Sender einbaut. Die weltweit größten Erfahrungen damit hat man im Biomechaniklabor des Julius-Wolff-Instituts an der Charité in Berlin. Der Ingenieur Prof. Dr. Georg Bergmann und seine Kollegen haben bereits mit Sensoren und Sendern bestückte Hüft-, Schulter- und Knieendoprothesen bei Patienten implantiert und mit ihren Messungen teilweise überraschende Dinge herausgefunden. So wirken auf das Hüftgelenk beim normalen Gehen bereits Kräfte, die dem Dreifachen des Körpergewichts entsprechen, beim Joggen sogar mehr als dem Fünffachen des Körpergewichts. Weder weicher Boden noch die Art des Schuhwerks kann diese Spitzenwerte vermindern. Die geringsten Kräfte wirken übrigens beim barfüßigen Gehen auf hartem Untergrund.

Oder: Für das Schultergelenk ist das Heben einer gefüllte Kaffeekanne mit gestrecktem Arm viel belastender als einen etwa 10 kg schweren Getränkekasten am hängenden Arm zu tragen. Für Physiotherapeuten interessant ist die Erkenntnis, dass schnelle Bewegungen für das Schultergelenk weniger belastend sind als langsame Bewegungen.
Nach Wirbelsäulen-Op. Sitzen erlaubt

Auch in handelsübliche interne Fixateure für Patienten mit Wirbelkörperfrakturen und in Wirbelkörperersatzimplantate haben die Berliner Forscher bereits Messelektronik integriert. „Wir konnten mit einigen althergebrachten Ansichten aufräumen, zum Beispiel mit dem Standardhinweis, dass die Patienten nach Wirbelsäulenoperationen nicht sitzen sollten, weil angeblich die Belastung höher sei als im Stehen oder Gehen. Das stimmt nicht!“, sagt Bergmann. „Die Wahrheit lautet: Die Belastung der Implantate beim Gehen ist sogar etwas höher als beim normalen Sitzen.“

Durch die zusätzliche ventrale Stabilisierung der Wirbelkörper mit Knochentransplantaten wird die Implantatbelastung sogar noch erhöht, besonders bei Patienten mit degenerativer Instabilität der Wirbelsäule. Mit Gehstützen oder einem Korsett kann man die auf einen Fixateur wirkenden Kräfte kaum oder gar nicht reduzieren. Auch das Sitzmöbel hat nur geringen Einfluss. Mit einem Gehwagen lässt sich dagegen eine Entlastung um etwa 25% erreichen.
v Die Belastungen eines Wirbelkörperersatzes, wie sie etwa nach Berstungsfrakturen verwendet werden, hängen sehr stark von der Lage des Oberkörperschwerpunktes ab. Besonders bei vorliegender Osteoporose gefährden bestimmte Aktivitäten das Implantat erheblich, zum Beispiel das Beugen des Oberkörpers nach vorn oder das Anheben der Arme in der Sagittalebene über 90 Grad, besonders mit Gewichten.
In Zukunft der Standard oder doch zu aufwendig?

Dass intelligente Endoprothesen mit eingebauten Sensoren künftig Standard in der Versorgung von Patienten werden könnten, zum Beispiel um Überlastungen zu vermeiden oder Lockerungen zu melden, bezweifelt Bergmann und verweist auf seine inzwischen mehr als 20-jährige Erfahrung. Dazu seien die Messungen technisch und personell viel zu komplex und aufwändig sowie im Einzelfall zu wenig aussagekräftig, um praktische Konsequenzen daraus ziehen zu können. Von den Kosten ganz zu schweigen. „Die Vorhersagekraft der Messwerte, um zum Beispiel über die Entfernung eines Wirbelsäulenfixateurs entscheiden zu können, wenn die Fraktur durchbaut ist, ist sehr unsicher. Da würde sich kein Orthopäde drauf verlassen. Die Streuung der Messwerte ist einfach zu groß“, sagt Bergmann. Die Festigkeit von Prothesen im Knochen hänge nicht nur von der Belastung ab, sondern mindestens ebenso vom Knochenstoffwechsel, vom Gewicht des Oberkörpers und dem Patientengewicht, der Größe der Hebelarme oder von eventuell vorliegenden Muskelfunktionsstörungen. Auch die telemetrische Übertragung von Daten aus dem Inneren einer Prothese funktioniert aus physikalischen Gründen nur über wenige Zentimeter. Zudem ist die Energieversorgung ein Problem.
„eDisc“ in der Zulassung

Dennoch gibt es bereits Versuche kommerzieller Anwendungen. Eine Firma im US-Bundesstaat Ohio versucht, die Zulassung für einen „intelligenten“ Bandscheibenersatz zu erhalten, der in seinem Inneren ein mikroelektronisches Bauteil enthält. Diese „eDisc“ genannte Prothese soll dem Chirurgen bereits während der Operation die korrekte Positionierung des Implantats erleichtern und zum anderen dem Arzt Informationen darüber liefern, ob der Patient sich nach der Operation an die Empfehlungen zur körperlichen Belastung hält oder nicht. Die Daten werden mit Hilfe eines Handheld-Computers ausgelesen. Die eDisc könne außerdem helfen, Lockerungen zu erkennen und die Rückkehr des Patienten an seinen Arbeitsplatz fördern, so das Unternehmen. Es wird spannend sein zu sehen, inwiefern Mikroelektronik, Nanotechnologie und intelligente Implantate in den kommenden Jahren tatsächlich Teil des medizinischen Alltags werden.

Thomas Meißner

erschienen in: EXTRACTA orthopaedica, Ausgabe 1/2010