Knochenarbeit am Durchschnittsmenschen
Die Nationalen Forschungsschwerpunkte leisten Pionierarbeit. Der NFS "CO-ME" etwa liefert dreidimensionale Operationshilfen. So gut wie die NFS-Forscher beherrscht weltweit kaum jemand das Metier der Knochen-Modellierung.
Eine neoklassizistische Villa für Direktion und Verwaltung, dahinter die Fabrikhalle mit riesigen Fenstern. Früher entstanden im Nordquartier der Stadt Bern feinste Textilien, heute wird Spitzenforschung betrieben. In den grosszügigen Fabrikräumen der ehemaligen Leinenweberei Schwob residiert seit vier Jahren das Institut für Chirurgische Technologie und Biomechanik der Universität Bern. Hier tüftelt der chilenische Ingenieur Mauricio Reyes mit seinem Team an der Konstruktion des "statistischen Menschen". Der Nationale Forschungsschwerpunkt "CO-ME – Computergestützte und bildgeführte medizinische Eingriffe", in dem Computertechnologien für medizinische Zwecke entwickelt werden, liefert ihm dabei die ideale Unterstützung.
Was abstrakt klingt, ist in der orthopädischen Chirurgie, also bei Operationen am Stütz- und Bewegungsapparat des Menschen, von grossem praktischem Nutzen. Mauricio Reyes und seine Mitarbeitenden haben ein neues mathematisches Modell entwickelt. Es erlaubt aus Bilddaten von Knochen, das durchschnittliche Skelett bestimmter Personengruppen zu berechnen und im Computer dreidimensional darzustellen.
Länge, Form und Stabilität der Knochen unterscheiden sich bei Menschen verschiedener Herkunft. Die Forschenden aus Bern haben deshalb die Masse des typischen Skeletts für Volksgruppen aus dem ostasiatischen und europäischen Raum getrennt berechnet. Das dreidimensionale Computerbild zum Beispiel eines europäischen Oberschenkelknochens zeigt dem Chirurgen auf den ersten Blick die durchschnittliche Form. Er kann aber auch erkennen, wie gross die anatomische Bandbreite ist, mit der er später im Operationssaal konfrontiert sein wird.
Die Wissenschaftler haben zudem ein Verfahren entwickelt, mit dem es möglich ist, aus dem Modell eines durchschnittlichen Knochens den Knochen eines ganz bestimmten Patienten herauszurechnen und bildlich darzustellen. "Dazu braucht es nur ein einfaches, zweidimensionales Röntgenbild als Vorlage. Oft reicht sogar eine Ultraschallaufnahme", erklärt Mauricio Reyes. Damit kann auch der Arzt in einem kleineren Spital das Hüftgelenk seines Patienten vor der Operation im Computer drehen, von allen Seiten studieren und den Eingriff bis ins Detail planen.
"Mit diesem Ansatz ist es möglich, Operationen am Skelett gezielter durchzuführen", erklärt Reyes. Der grosse Vorteil der Modellierung: Zur Vorbereitung von heiklen Eingriffen an Knochen oder Gelenken müssen die Patienten nicht mehr im Computertomografen untersucht werden. Das spart Kosten. Auch die Strahlenbelastung fällt weg. Erprobt haben die Wissenschaftler ihr Modell im Netzwerk des NFS "CO-ME" mit mehr als 30 Kliniken, Hochschulen und Forschungseinrichtungen.
Weltweit gibt es nur drei bis vier weitere Forschungsgruppen, die das Metier der Modellierung von Knochen ähnlich gut beherrschen wie das Team um Mauricio Reyes. Doch während sich die Konkurrenten mit relativ kleinen Datensätzen begnügen müssen, haben die Forscher aus der Schweiz Tausende von Knochen in ihren Modellen integriert, darunter Oberschenkel, Hüften und Unterkiefer. Jetzt sind sie daran, eine entsprechende Datenbank für das ganze menschliche Skelett zu erstellen. Dabei wird nicht nur die Form der Knochen untersucht. Vielmehr fliessen auch Informationen über die Struktur der Knochen ein, insbesondere über die Dichte der Knochenmasse und damit über deren Stabilität. Dieses zusätzliche Wissen macht es möglich, Implantate – etwa ein künstliches Hüftgelenk – so anzupassen, dass sie beim Patienten perfekt sitzen. Mechanische Eigenschaften eines Implantats, aber auch Lage, Länge oder Orientierung von Fixierungsschrauben lassen sich bereits heute am Computer berechnen. "All diese Parameter musste man früher in mühsamer Handarbeit am Knochen optimieren", erklärt Mauricio Reyes. Individuelle Implantate, die auf den Knochenbau eines einzelnen Menschen zugeschnitten sind: Dieses Ziel ist in greifbare Nähe gerückt.
Kein Wunder, erhält Reyes regelmässig Anfragen von Firmen, die Implantate herstellen – aus der Schweiz und aus dem Ausland. Um ihre Produkte zu optimieren, sind sie vor allem an Knochendaten bestimmter Personengruppen interessiert. Im Rahmen von Entwicklungs- und Forschungspartnerschaften teilt Reyes sein Know-how mit der Industrie. Unterstützt von der Eidgenössischen Kommission für Technologie und Entwicklung wurde bereits ein erstes Projekt mit einem Schweizer Unternehmen umgesetzt.
New York, Boston oder Lyon: Immer wieder werden die Forscher aus Bern an wissenschaftliche Kongresse eingeladen, um dort ihre Arbeit vorzustellen. Das Interesse der Fachwelt ist gross. Doch die wahre Stärke von Reyes und seinem Team zeigt sich darin, dass sie die Bodenhaftung nicht verloren haben. Kürzlich hat ein Augenarzt des Inselspitals angefragt, ob man auch das Auge modellieren könnte, um künstliche Linsen besser anzupassen. Mauricio Reyes ist Feuer und Flamme für die Idee.