Mechatronik Mechatronik ermöglicht Knochenwachstum

Miniaturisation, Integration, Netzwerkfähigkeit, Intelligenz – so verdankt die moderne Heilkunde der Zusammenarbeit verschiedener Unternehmensbereiche den weltweit einzigen voll implantierbaren FITBONE-Distraktionsmarknagel mit einem integrierten regel- und steuerbaren mechatronischen Antrieb, um Beinlängendifferenzen präzise und in den meisten Fällen nahezu schmerzfrei zu korrigieren.

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Seit Mitte des 19. Jahrhunderts ist bekannt, dass Knochenlängenwachstum unter bestimmten Bedingungen auch bei Erwachsenen möglich ist. Das unter dem Begriff Kallusdistraktion bekannte Phänomen beruht auf dem gleichen Prinzip, wie das Wachstum von Kindern und Jugendlichen. In deren Entwicklungsphase befinden sich zwischen den Gelenkstücken und den Röhrenknochen der oberen und unteren Extremitäten so genannte Wachstumsfugen, an denen sich Knochenzellen ansiedeln.

Ist der Mensch ausgewachsen, etwa ab dem achzehnten Lebensjahr, schließen sich die Wachstumsfugen. Die Bildung von Knochengewebe (Kallus) beobachteten die Mediziner schon früh beim Heilungsverlauf von Frakturen. Um etwa die durch Muskelkrämpfe verursachte Verkürzung der Beine bei Brüchen der langen Röhrenknochen zu verhindern, erfanden sie bereits im Mittelalter entsprechende Zug- und Fixiervorrichtungen.

Daraus entwickelten sich erste – allerdings erfolglose – Versuche, das Wachstum von Röhrenknochen zu stimulieren, um Beinlängendifferenzen oder Fehlstellungen auszugleichen. Das Prinzip beruht bis heute darauf, den Röhrenknochen zu durchtrennen und anschließend so zu fixieren, dass an der Bruchstelle eine künstliche Wachstumsfuge bleibt, in der sich neues Knochengewebe bildet.

Korrektur der Beinlängendifferenzen durch miniaturisierte Mechatronik

Doch erst zu Ende des 20. Jahrhunderts gelang es Wittenstein intens, die Entwicklung des implantierbaren FITBONE-Distraktionsmarknagels, der eine in ihrer Präzision einmalige und reproduzierbare sowie für die Patienten meist nahezu schmerzfreie Behandlung ermöglicht.

Die Geburtsstunde der vollimplantierbaren, mechatronischen Distraktionssysteme war 1989 an der Ludwig-Maximilians-Universität in München, als Baumgart und Betz im Rahmen eines Forschungsprojektes die ersten Systeme realisierten und mit dem Ziel, die Vorteile der Kallusdistraktion zu nutzen, ohne die Nachteile der externen Fixateure in Kauf nehmen zu müssen, erstmals klinisch einsetzten.

Aufbau und Funktionsprinzip

Aufgrund der beschränkten räumlichen Möglichkeiten verfügt der Distraktionsmarknagel über eine hohe Integrationsdichte und somit einen entsprechenden Miniaturisierungsgrad. Dennoch soll und muss er den hohen Belastungen im Ober- bzw. Unterschenkelknochen standhalten. Denn während der Verlängerungsphase übernimmt er nahezu die gesamte Belastung. Im Rahmen der Konsolidierungsphase reduziert sich diese Belastung für das Implantat fortlaufend bis zur vollständigen Verfestigung des neu gebildeten Knochens.

Solche Anforderungen in ein funktionstüchtiges Produkt umzusetzen ist eine der Kernkompetenzen der Wittenstein Unternehmen. In diesem Fall war das Know-how aus den Bereichen Antriebstechnik, Elektronik, Sensorik sowie Software gefragt. Im Inneren des FITBONE sind auf einem Durchmesser von 10 mm und einer Gesamtbaulänge von 245 mm (auch kürzere Bauformen sind realisiert) eine miniaturisierte Motor-Getriebe-Kombination, eine Planetenrollenspindel sowie eine entsprechende Rotationssicherung und die Abdichtung des Teleskoprohres untergebracht.

Die modulare Bauweise erlaubt eine einfache Anpassung an den vorliegenden Einbauraum im Knochen sowie die jeweiligen Distraktionslängen. Aktuell sind Oberschenkelverlängerungen bis 85 mm und Unterschenkelverlängerungen bis 65 mm möglich.

Die drahtlose „Verbindung/ Energieversorgung“ von außen nach innen erfolgt über eine Hochfrequenz-Energieeinkopplung. Hierzu ist der Marknagel mit einem im Unterhautfettgewebe liegenden Empfänger ausgestattet. Das Steuergerät und der Transmitterkopf stellen die externen Systemkomponenten dar. Um die Energieversorgung herzustellen und so die Verlängerung zu starten, muss der Patient lediglich den Transmitterkopf kurz auf die Haut legen und Energie einkoppeln.

Mittlerweile schreitet die Miniaturisierung weiter fort

So wäre technisch inzwischen auch die Integration von Sensoren zur Kraft- und Wegmessung einschließlich der Elektronik in den vorhandenen Bauraum des Distraktionsmarknagels möglich. Der wechselseitige Austausch der Informationen zwischen dem Implantat und der externen Steuerelektronik erfolgt über eine telemetrische Anbindung.

Und die Integration der Empfangsantenne in den Marknagel erleichtert nicht nur die Implantation, sondern auch das spätere Entfernen des Implantats nach Abschluss der Behandlung.

Medizinische Vorteile und verbesserte Lebensqualität während der Behandlung

Die Behandlung mit dem Distraktionsmarknagel weist gegenüber allen alternativen Verfahren einen deutlich höheren Behandlungskomfort auf. Ein Infektionsrisiko ist dadurch so gut wie ausgeschlossen. Der minimalinvasive Eingriff verursacht – auch aus kosmetischer Sicht – nur kleine Narben. Die eigentliche Verlängerung ist in den meisten Fällen nahezu schmerzlos.

Neben den medizinischen Vorteilen sprechen aber auch andere Aspekte für diese Behandlungsmethode: So ist die stationäre Behandlungsdauer deutlich kürzer, weshalb die schulische, häusliche oder berufliche Re-Integration früher und einfacher erfolgen kann. Die Patienten können normale Kleidung tragen, sich duschen oder baden und auch sonst ein weitgehend normales Leben führen. Lediglich die maximale Belastung des betroffenen Beines muss berücksichtigt werden – und es ist die aktive Mitarbeit bei der Krankengymnastik (in diesem Fall ohne störendes externes Fixationssytem) erforderlich.

Ablauf einer Behandlung zur Beinverlängerung

Der Eingriff selbst erfolgt unter Vollnarkose. In minimalinvasiver Operationstechnik wird das Implantat über kleine Zugänge in den Knochen eingebracht. Der künstliche Bruch, die neue Wachstumsfuge, wird durch den FITBONE-Distraktionsmarknagel stabilisiert. Bereits am Tag nach der OP stehen die Patienten mit Unterstützung auf und können die ersten Schritte mit Gehstöcken unternehmen.

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