Virtuelle Patienten sind Realität in Forschung und Entwicklung orthopädischer Implantate

Unternehmen wie DJO Surgical nutzen virtuelle Patienten schon seit mehreren Jahren, um die Implantatentwicklung zu beschleunigen, und sehen darin klare technische und finanzielle Vorteile. Adam Shallenberg, Engineering Manager für den Hüftbereich bei DJO, ließ uns an den Ergebnissen des Unternehmens zu Verbesserungen bei Hüftimplantaten in einem unserer Webinare teilhaben.

Im Grunde ist ein virtueller Patient ein Computermodell eines Patienten, das die Reaktion dieses Patienten auf eine bestimmte Behandlung zuverlässig vorhersagen kann. Es gibt ganz unterschiedliche Konzepte, die auf diese Definition passen. Diese reichen von einfachen 1D-Blutflussmodellen über Finite-Elemente-Analysen bis hin zu Bayesschen Netzen, mit denen Ergebnisse auf Grundlage verschiedener Kombinationen von Schlüsselvariablen abgeschätzt werden.

Virtuelle Patienten entsprechen nicht einem bekannten, realen Patienten, sondern sind in der Regel entweder anonym oder künstlich. Dies ist ein wichtiger Unterschied zu so genannten digitalen Zwillingen, bei denen das Modell mit dem echten Patienten verbunden und basierend auf real beobachteten Ergebnissen angepasst wird.

In der Orthopädie wird der Begriff des virtuellen Patienten für 3D-Knochenmodelle verwendet, die aus CT- oder MRT-Scans extrahiert werden. Diese Knochenmodelle können digital vermessen werden, damit Forscher und Entwickler eine Vorstellung vom Umfang und der statistischen Verteilung wichtiger Maße in der Zielbevölkerung erhalten. Ein Implantatdesign kann überprüft werden, indem die zugehörige CAD-Datei virtuell in eine beliebige Anzahl Knochenmodelle implantiert und die geometrische Passform bewertet wird.

In manchen Fällen kommt eine Finite-Elemente-Modellierung zum Einsatz, um Belastungsverteilungen oder Mikrobewegungen auszuwerten. Die „spezifischen“ virtuellen Patienten, die direkt aus CT- oder MRT-Scans (anonymisierter) realer Patienten extrahiert wurden, können durch „künstliche/synthetische“ virtuelle Patienten (auch als „abgeleitete“ virtuelle Patienten bezeichnet) ergänzt werden. Letztere werden durch eine statistische Formenmodellierung erzeugt. Der Vorteil künstlicher virtueller Patienten besteht darin, dass Techniker eine beliebige Knochenform herstellen können, um ihr Implantat zu testen – beispielsweise einen Durchschnittspatienten oder einen Worst-Case-Patienten.

DJO Surgical sieht in der Verwendung virtueller Patienten viele Vorteile. In unserem Webinar erklärte Adam, dass virtuelle Patienten jetzt als Standardwerkzeug in alle Designprojekte integriert wurden.

Er nannte als Beispiel ein spezielles Hüftprodukt namens „Exprt® Revision Hip“, bei dem die Nutzung virtueller Patienten half, die Passform des Implantats zu verbessern, und zwar so weit, dass deutlich weniger Operationsinstrumente erforderlich waren. Nach seinen Angaben „passt die Exprt® Revision Hip auf eine Vielzahl von Knochen. Die Überprüfung mit dem virtuellen Patienten war das Schlüsselwerkzeug, um das zu erreichen.“

Dabei wurde nicht nur das Design verbessert, sondern es wurden auch Zeit und Geld gespart. Adam sagte: „Virtuelle Patienten haben sich als sehr wertvolles Werkzeug erwiesen, mit dessen Hilfe wir schneller und günstiger Wiederholungen durchführen können, bevor wir mit den nächsten teureren und zeitaufwändigeren Schritten des Projekts fortfahren.“

Schlussendlich helfen virtuelle Patienten Technikern und Chirurgen, dieselbe Sprache zu sprechen: „Für das Design zuständige Chirurgen haben das anatomische Wissen in ihren Köpfen, aber für uns als Techniker ist es manchmal sehr schwierig, an diesem Wissen teilzuhaben. Für mich bot dieses Werkzeug eine sehr angenehme Möglichkeit für die Zusammenarbeit, sodass die Chirurgen uns die für sie wichtigen Merkmale zeigen konnten. Sie setzen bereitwillig großes Vertrauen in die Studie mit virtuellen Patienten und sind offen, Designentscheidungen auf Grundlage der so gewonnenen Daten zu treffen.“

DJO Surgical ist eines von vielen Unternehmen, die Vorteile wie eine verbesserte Passform und eine schnellere Design-Iteration erkannt haben. Virtuelle Patienten bieten ganz unterschiedliche Vorteile, die auch davon abhängen, was genau entwickelt wird. Sie können beispielsweise indirekt oder direkt sein und aus einer finanziellen oder einer technischen Sicht betrachtet werden.

Direkte technische Vorteile:

• Entdecken Sie neue Einblicke in die Anatomie
• Verbesserte geometrische Passform von Implantaten
• Erhöhte Bevölkerungsabdeckung
• Erhöhte Zuverlässigkeit des Verifizierungs- und Validierungsprozesses

Indirekte technische Vorteile:

• Gemeinsame anatomische Referenz für alle Mitglieder des Designteams
• Verbesserte Kommunikation mit Chirurgen und Ärzten

Direkte finanzielle Vorteile:

• Kostenersparnis bei Kadavern oder Tieren
• Reduzierte Time-to-Market
• Beschleunigte behördliche Freigabe
• Effizientere Nutzung des Inventars

Indirekte finanzielle Vorteile:

• Verbessertes Branding durch Innovation und Technologieführerschaft
• Vorteile für Marketing und Öffentlichkeitsarbeit

Obwohl diese Vorteile keine vollständige Liste darstellen, handelt es sich um ein Starter-Set, das im Laufe der Zeit erweitert werden kann.