Die Medizintechnik leistet einen großen und wichtigen Beitrag bei der Modernisierung und Sicherstellung unserer Gesundheitsversorgung. Sei es bei der Entwicklung von Stents, Implantaten, Orthesen und Untersuchungsequipment oder der Prozess-Optimierung bei der Abfüllung, Mischung und Verpackung von Medikamenten. In alle diese Bereiche wird sehr viel in Forschung und Entwicklung investiert. Zum einen in die Entwicklung der Produkte selbst, zum anderen in deren Test und die Zertifizierung. Denn gerade in der Medizintechnik steht Sicherheit an erster Stelle.
Um Entwicklungszeiten zu verkürzen, komplexe Aufgabenstellungen zu meistern, Risiken zu minimieren, lebenswichtige Produkte noch schneller zum Patienten zu bringen und diese immer sicherer zu machen, setzen Entwickler auch in der Medizintechnik zunehmend Simulation und Computer Aided Engineering (CAE) ein, also computergestützte Produktentwicklung.
Die Anwendungsbereiche sind dabei sehr vielfältig. Bei der Auslegung und Entwicklung von Implantaten – wie z. B. für additiv gefertigte künstliche Hüften – kann mittels Simulation die Knochenbelastung optimiert und so das Einwachsen des Implantats beschleunigt sowie der Herstellungsprozess im Allgemeinen verbessert werden. Bei der Entwicklung von Kunststoffspritzguss-Bauteilen, z. B. für Insulininjektoren, wird die zuverlässige, einfache und sichere Eigenbehandlung sichergestellt. Bei der Medikamentenherstellung und -verpackung sorgt die Simulation des Materialflusses für eine optimale Wirkstoffverteilung im Endprodukt sowie für effiziente Verpackungsprozesse.
Bei allen hier betrachteten Einsatzmöglichkeiten der Simulation ist ein ganzheitlicher Entwicklungsprozess der erfolgversprechendste Ansatz. Dabei können mehrere physikalische Phänomene nahezu gleichzeitig oder parallel betrachtet werden..
Topologieoptimierung und Design für den 3D Druck in der Medizintechnik
Simulation und Optimierung liefern einen zentralen Beitrag, um ein optimales Produkt zu erhalten
Schaut man sich beispielsweise das geometrische Modell und den 3D-Druck eines Hüftimplantates an, wird schnell deutlich, welchen zentralen Beitrag Simulation und Optimierung liefern, um ein optimales Implantat zu erhalten. Mit Hilfe der Strukturoptimierung wird ein optimaler Steifigkeitsverlauf entlang des Implantates erzeugt. Die gleichmäßige Krafteinleitung vom Implantat in den Knochen verbessert den Prozess des Einwachsens, vermindert Knochenschwund und erhöht die Lebensdauer des Implantats.
Dafür kommen zum Beispiel bei einer 3D-gedruckten Hüfte zum einen die Topologieoptimierung und zum anderen die Fertigungssimulation zum Einsatz. Bei der Topologieoptimierung wird zunächst ein Bauraum definiert, dem darüber hinaus Lasten und andere Randbedingungen hinzugefügt werden. Mittels dieser Daten erstellt die Software dann einen Vorschlag für das Konstruktionsmodell. Bei der Fertigungssimulation wird unter anderem ermittelt, wie das Bauteil im Drucker positioniert sein muss, um manuelle Nacharbeiten so gering wie möglich zu halten. Oder wie Supportstrukturen zu verringern sind, und das Material bestmöglich zu nutzen.
Strukturanalyse und Lebensdauer-Erhöhung durch Simulation
Auch bei der medizinischen Forschung und Entwicklung für neue Stents, z. B. für die Herzchirurgie, helfen numerische Simulation und Optimierung dabei, die Produkte besser, sicherer und haltbarer zu machen und sie damit schneller auf den Markt – sprich zum Patienten – zu bringen. Simulationswerkzeuge kommen hier beispielsweise zum Einsatz, um die Steifigkeit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer eines Stents zu erhöhen. Gleichzeitig wird die punktuelle Belastung verringert und so das verwendete Material genau dort eingesetzt, wo es benötigt wird, um ein optimales Resultat zu erzielen. Darüber hinaus kann zum Beispiel Strömungssimulation eingesetzt werden, um den optimalen Durchfluss durch einen Stent zu ermitteln.
Moderne Fertigung und die Betrachtung multiphysikalischer Phänomene in der Medizintechnik
Weitere mögliche Anwendungsbereiche für die numerische Simulation in Kombination mit dem 3D-Druck oder auch dem Spritzguss sind die anatomische Modellierung sowie Orthesen und Prothesen. Bei diesen Anwendungsgebieten spielen neben dem Material vor allem die individuelle Passform eine große Rolle. Ärztliches Fachpersonal, Medizintechniker und Ingenieure können hier mittels Simulationstools ein Modell erstellen, dieses optimieren und je nach Fertigungsmethode, z. B. Spritzguss oder 3D-Druck, den Fertigungsprozess verstehen und optimieren. Mit Simulation können außerdem verschiedenste multiphysikalische Phänomene untersucht und optimiert werden. Neben der Fertigungssimulation ist es auch möglich, das strukturelle und thermische Verhalten oder die Elektromagnetik eines Gerätes im Detail zu untersuchen, um unerwünschte Eigenschaften zu minimieren oder auszuschließen und die Produktleistung zu steigern. Die Untersuchungen der elektromagnetischen Auswirkungen werden zunehmend wichtiger, da immer mehr Geräte miteinander oder auch mit dem Internet verbunden sind.
Mechatronik Anwendungen in der Medizintechnik
Die Kombination aus mechanischen Strukturen und Mechanismen mit Sensoren, Aktuatoren und Rechenleistung hat die Erwartung an die Leistungsfähigkeit neuer Produkte erhöht. Bei diesen Systemen ist es nicht mehr nur nötig, die Mechanik eines Gerätes zu untersuchen. Vielmehr müssen nun auch systemrelevante Eigenschaften wie die Elektrik, Elektromagnetik und Regelung untersucht werden. Mit Werkzeugen für die Systemsimulation können Konzeptstudien durchgeführt sowie das Regelungsdesign und die Implementierung von Regelungstechnik betrachtet werden. Dies gilt zum Beispiel für OP-Roboter oder Autoinjektoren. Bei diesen Produkten gibt es meist sehr viele Validierungs- und Zertifizierungsphasen, welche die Entwicklungszeit verlängern können. Auch hier ist wieder eine ganzheitliche Betrachtungsweise inklusiver aller mechanischen und elektrischen Phänomene wichtig, um schneller zum einsatzbereiten Produkt zu kommen.
Partikel- und Schüttgutsimulation in der Pharmaindustrie
Auch in der Pharmaindustrie kommen vermehrt Simulationsmethoden zum Einsatz. Bei der Herstellung und Verpackung von Medikamenten leistet die Partikelsimulation gute Dienste. Wenn Medikamente wie Tabletten und Kapseln verarbeitet und verpackt werden müssen, sollte dies so effizient wie möglich geschehen. Herstellungsprozesse wie Mischen, Beschichten, Granulieren und Portionieren können genauestens untersucht und optimiert werden.
Allein die hier ausgewählten Beispiele zeigen, wie viel die numerische Simulation zur effizienteren Entwicklung und Fertigung von Produkten aus der Medizintechnik und der Pharmaindustrie beitragen kann.
Mehr zu diesen und weiteren Beispielen erfahren Sie in der nachstehend verlinkten kostenfreien Altair Webinar-Reihe zum Thema Medizintechnik, die vom 14. bis zum 24. September 2020 stattfindet.
