Ny 3D-teknologi skal forbedre knæoperationer
Vi forestiller os en fremtid, hvor vi er i stand til at skræddersy et nyt knæ til den enkelte patient, skriver to forskere.
knæprotese_knæ_operation_genoperation billeder røntgen undersøgelse protese præcision

Forskerne kan efterligne røntgenbilleder (de røde linjer) med et sæt virtuelle røntgenbilleder, der er lige så præcise (de grønne linjer). Det hjælper med at bygge mere individualiserede knæproteser (Illustration: Michael Skipper Andersen og Dennis Pedersen)

Advarsel: Denne artikel indeholder stærke billeder.

De fleste af os bliver ramt af slidgigt på et eller andet tidspunkt i livet. Artrose, som sygdommen også kaldes, er en svækkende ledsygdom, hvor brusk og væv omkring leddene langsomt nedbrydes.

Sygdommen kan opstå i alle led, men den ses oftest i knæet efterfulgt af hoften, nakken, ryggen og hænderne.

Artrose i knæet ses markant hyppigere hos personer med tidligere skader i knæet, hos personer indenfor erhverv som eksempelvis gulvlægger eller hos overvægtige. Desværre kan Artrose ikke helbredes.

Én operation er ikke altid nok

I sene stadier af sygdommen kan det blive nødvendigt at udskifte leddet med en knæprotese. Alene i Danmark får 10.000 patienter hvert år indopereret en knæprotese, blandt andet på grund af artrose, og tallet er støt stigende. Desværre oplever en del af disse patienter gener efter operationen og cirka 500 af dem oplever så mange problemer, at de må opereres igen.

For 20 procent af de genopererede patienter er problemet, at knæet enten er blevet for løst eller stramt. Det bunder sandsynligvis i, at protese-geometrierne og operationerne ikke tager nok højde for patienternes individuelle knæløshed inden operationen.  

Hvad kan man gøre ved det? Man kunne for eksempel forsøge at måle, hvor løst knæet er allerede inden operationen finder sted. Til det formål har vi på Institut for Materialer og Produktion på Aalborg Universitet udviklet en ny teknologi, der nøjagtigt kan måle den enkelte patients knæløshed i 3D.

På sigt forventer vi, at denne teknologi gør det muligt for lægerne at vælge, hvilken knæprotese der egner sig bedst til den pågældende patients knæ. Endnu er den ikke taget i brug på patienter, men de foreløbige forsøg lover virkelig godt.

Teknologien måler knæets behov og løshed

Hvis man placerer knæet i en given knævinkel, holder låret og knævinklen fast og derefter udsætter underbenet for en kraft, vil knæet forskyde sig. Alt efter hvor stive ledbåndene, menisk og knæbrusken er, vil den givne kraft forsage en unik forskydning af knæet.

Ved at gentage målingerne med belastninger i forskellige retninger og ved forskellige knævinkler kan patientens unikke knæløshedskarakteristik beskrives. Det er netop det, vores teknologi gør.

knæprotese_knæ_operation_genoperation_scanner_scanning

Overordnet bygger teknologien på tre elementer: En EOS-scanner (tv.), et apparatur til at pålægge belastninger under EOS-scanningen (mf.) samt en MRI- eller CT-scanning af patientens knæ (th.). (Foto: Michael Skipper Andersen og Dennis Pedersen)

En støvle holder underbenet fast under tests

En MRI- eller CT-scanning tager en række 2D-billeder af knæet, som samles til en 3D-geometri af knoglerne i knæet. Hvis disse sammenholdes med de to røntgenbilleder, målt mens knæet er under belastning, kan vi udregne, hvor knoglerne befandt sig i rummet under EOS-scanningen. 

Dette gør vi ved at flytte knoglerne rundt i software, indtil et sæt virtuelle røntgenbilleder giver den samme kontur (de grønne linjer i figuren øverst i artiklen), som ses på de rigtige røntgenbilleder (de røde linjer i figuren). Den proces gentager vi ved hver belastning, som knæet udsættes for i den midterste figur lige ovenfor.

Dette apparatur består af et sæde, som kan justeres i højden, et spænde til at holde låret fast, en parallelmanipulator, en kraftmåler samt en støvle til at holde fod og underben fast. Parallelmanipulatoren muliggør, at underbenet kan forskydes relativt til låret og de kræfter, der skal til for at opnå forskydningen, måles ved hjælp af kraftmåleren.

knæprotese_rotation_knæ_operation

Anteroposterior er forskydningen frem og tilbage, og intern-ekstern er indad- og udadrotation af knæet. De blå barer indikerer forskydningen i anterior- og intern-rotationsretningerne og de orange den modsatte vej. (Illustration: Michael Skipper Andersen og Dennis Pedersen)

Teknologien er testet på menneskelig

Før teknologien kan anvendes på levende mennesker, er det vigtigt at undersøge nøjagtigheden af metoden. Til det formål har vi foretaget en række forsøg på menneskelig med en version af knætesteren, som kunne måle på lig. Denne ses i figuren ovenfor til venstre. Disse forsøg blev foretaget på folk, der har doneret deres krop til videnskabens tjeneste.

Det første, vi undersøgte, var nøjagtigheden af knoglepositionerne, og her fandt vi en nøjagtighed på cirka to mm og to grader. Herefter udskiftede vi knæet med en knæprotese for at se, hvordan løsheden blev ændret.

Et eksempel på det ses i søjlediagrammet ovenfor, hvor anteroposterior er forskydningen frem og tilbage og intern-ekstern er indad- og udadrotation af knæet. De blå barer indikerer forskydningen i anterior- og intern-rotationsretningerne og de orange den modsatte vej.

Som det ses, er der en stor forskel i løsheden af knæet i den anteriore retning efter udskiftning af knæet for dette kadaver, hvorimod der kunne ses en lille ændring i intern-ekstern rotation samt i posterior retning.

Det indikerer, at for dette knæ ville det have været bedre enten at indsætte en protese, som giver en større stivhed i anterior retning eller positionere denne protese anderledes, hvis det er muligt. Hvordan dette bedst opnås vides ikke på nuværende tidspunkt, men vores teknologi kan benyttes til at få et indblik i sammenhængen mellem protesedesign og dens placering og knæets løshed.

Tilsvarende trends blev observeret for de andre lig med den testede protesetype.

knæ_operation_genoperation_knætester

Før teknologien anvendes på levende mennesker, må vi undersøge nøjagtigheden af metoden. Derfor har vi lavet forsøg på kroppe doneret til videnskaben med en version af knætesteren, som kunne måle på lig. (Fotos: Michael Skipper Andersen og Dennis Pedersen)

Fremtiden: Skræddersyede knæproteser printet i 3D

Med den nye 3D-teknologi vurderer vi, at antallet af genoperationer kan reduceres væsentligt, fordi det sundhedsfaglige personale får et værktøj, der giver mulighed for bedre diagnosticering, operationsplanlægning og opfølgning.

ForskerZonen

Denne artikel er en del af ForskerZonen, som er stedet, hvor forskerne selv kommer direkte til orde. Her skriver de om deres forskning og forskningsfelt, bringer relevant viden ind i den offentlige debat og formidler til et bredt publikum.
ForskerZonen er støttet af Lundbeckfonden.

Det har store perspektiver for de mange patienter, men det vil også have en samfundsøkonomisk effekt – ikke mindst på sigt, hvor prognoserne spår, at antallet af knæproteseoperationer vil stige dramatisk.

I fremtiden forventer vi, at knæproteserne ikke længere bliver valgt blandt de mere end 200 typer standardproteser, der findes på markedet i dag. I stedet vil proteserne blive printet i 3D og være skræddersyet til hver enkelt patient.

Vores teknologi passer ind i den fremtid, som ortopædkirurgien bevæger sig ind i, hvor man ser en øget brug af teknologier som for eksempel robotter og 3D-print. Derfor tror vi også på, at man i fremtiden vil bruge vores 3D-teknologi som forberedelse forud for knæproteseoperationer, som så forhåbentligt går godt i første forsøg.

Forskningsprojektet er sponsoreret af Det Frie Forskningsråds Sapere Aude-program samt Innovationsfonden.