Aarhus-forskere udvikler billigere og bedre implantater
Mange implantater er i dag både dyre og fyldt med fejl. Ved hjælp af avancerede matematiske modeller af knogler og muskler forsøger forskere fra AU at udvikle bedre og billigere implantater.
Da Subburaj Karupppasamy var ved at færdiggøre sin universitetsuddannelse i Indien, var hans bror ude for et uheld, hvor han skadede sin rygsøjle. Broderen røg i en periode ind og ud af hospitalet, indtil han fik opereret implantater ind til at støtte rygsøjlen.
Både operationen og implantaterne var meget dyre. Heldigvis tjener hans bror som forretningsmand gode penge og kunne betale regningerne, men rigtig mange mennesker i Indien vil aldrig nogensinde få råd til sådan en behandling.
Brorens uheld fik Sabburaj Karupppasamy til at indse, at der her er et potentiale for at udvikle bedre og billigere implantater ved hjælp af computermodeller.
- Jeg studerede bioteknologi på det tidspunkt, og jeg var interesseret i forskellige genstandes kompleksitet. Den mest komplekse genstand at studere er menneskekroppen, så da min bror kom ud for sin ulykke, blev jeg enig med mig selv om, at jeg ville studere rygskader og den teknologi, vi bruger til at behandle dem, siger han.
Subbaraj Karupppasamy satte sig derfor for at udvikle rygsøjleimplantater, der ikke måtte koste mere end $2000. På det tidspunkt kostede et implantat typisk omkring $10.000. Målet har han ikke nået endnu, men han arbejder stadig på sagen.
I dag er han leder af en gruppe forskere på Institut for Mekanik og Produktion på Aarhus Universitet. Ved hjælp af avancerede computermodeller forsøger de at udvikle nye implantater. Ikke kun til skader på rygsøjlen, men til en række andre lidelser.
- Vi arbejder på at skabe den næste generation af implantater ved hjælp af computermodeller. Med mere præcist data kan vi designe implantater, der ikke bare er mere funktionelle, men også billigere og mindre indgribende, siger han.
En matematisk model for rygsøjle og muskler
En af de mest udbredte sygdomme i rygsøjlen hedder skoliose. Mellem to og tre procent af verdens befolkning lider af sygdommen, som betyder, at deres rygsøjle buer ud til siden.
Hvis sygdommen ikke bliver behandlet, fører det ofte til invaliderende kroniske smerter. Hvis sygdommen derimod bliver opdaget tidligt i barndommen, er det muligt at rette rygsøjlen op. I dag gør lægerne det ved hjælp af titanium-stænger, som føres op gennem rygsøjlen.
Men ifølge Subburaj Karupppasamy er den behandling både dyr og fejlbehæftet.
- Den normale behandling mod skoliose har en fejlrate på 60 procent. Tænk lige over det tal. Mere end halvdelen af alle behandlinger, som er meget indgribende, fejler.
- Et af vores forskningsprojekter går netop ud på at udvikle et alternativ til denne behandling. Vi bruger en computermodel af rygsøjlen og de muskler, der fæster til den, for at beregne det optimale sted at placere implantaterne.
En af årsagerne til, at skoliose-behandlingen ofte fejler, er, at stængerne bliver fæstnet de forkerte steder. Det resulterer i, at stængerne vrister sig fri, eller at ribbenene simpelthen brækker – og det betyder så, at patienten igen skal opereres.
- Skoliose-patienter bliver ofte opereret flere gange for at sætte stængerne på plads. For et par år siden fandt et firma i San Diego på en ny behandling. I stedet for at patienterne skal under kniven igen, bliver stængerne sat på plads ved hjælp af en scanner og nogle kraftige magneter. Desværre er fejlraten på denne behandling også stor.
- Lige nu forsøger vi at redesigne stængerne, så vi i stedet bruger stempler. Vi laver beregninger på, hvordan de præcis skal designes, og hvor de skal fæstnes i rygsøjlen. Når vi har den optimale løsning, vil vi 3D-printe dem og samarbejde med læger i kliniske forsøg på Aarhus Universitetshospital og i München.
En model baseret på røntgenbilleder
Menneskekroppen er noget af det mest komplekse at bygge en computermodel af. Selv hvis man begrænser modellen til kun at omfatte rygsøjlen, er samspillet mellem knogler, muskler, sener og nerver meget kompliceret.
For at bygge en så realistisk model som muligt har forskerne samlet en stor mængde data fra CT-scanninger og røntgenfotografier af hospitalspatienter med normale rygsøjler.
Ved at analysere de store datamængder har forskerne været i stand til at udvikle en avanceret computermodel, og det er den, de bruger til at designe nye implantater til en række forskellige sygdomme i rygsøjlen.
Teknologi klar til skadestuen
Subburaj Karupppasamys hold arbejder ikke kun på nye implantater. Faktisk har de også udviklet en computermodel, som kan beregne risikoen for, at en patient har små brud på rygsøjlen. En teknologi, der næsten er klar til at blive implementeret på hospitalerne.
- Vi har fået adgang til CT-scanninger fra næsten 400 patienter, som blev scannet af andre grunde end problemer med rygsøjlen. I scanningerne ledte vi efter små brud på rygsøjlen, og ud fra de brud vi fandt, udviklede vi en risikoscore.
- Mange patienter – især ældre mennesker – ved ikke, at deres knogler er svage. De opdager aldrig, at de har små brud på rygsøjlen. Men slår de sig og får flere brud, vil det ofte give dem permanente skader, der binder dem til en kørestol. Vores model kan beregne risikoen for, om en patient har disse brud ret præcist.
Subburaj Karupppasamy håber, at hospitalerne vil tage godt imod hans nye teknologi. I dag bliver disse brud nemlig oftest ikke opdaget.
- Hospitalerne bruger i dag noget, man kalder for DEXA-data. Problemet er, at nøjagtigheden af denne data er ret lav. Modellen rammer kun plet 50 procent af tiden. Vi kan give en meget mere nøjagtig risikoprofil.
- I fremtiden håber jeg, at vores bliver standardløsningen. Når patienter bliver screenet for brystkræft, når de bliver 40 år, skulle man måske også kigge efter brud på rygsøjlen. Nedbrydningen af knoglerne begynder nemlig ofte på det tidspunkt, hvor kvinder går i overgangsalderen.
Subburaj Karupppasamy
Subburaj Karupppasamy blev født i Indien, men rejste til USA for at skrive sin ph.d. Da han havde færdiggjort den, rejste han til Singapore og byggede en uddannelse i bioteknologi op på Singapore University of Technology and Design.
Mens han arbejdede i Singapore, tog han patent på en række opfindelser, som han designede. En af dem er en algoritme til en robot, der tager biopsier af nyrepatienter for at se, om de har nyresten. Fordi du skal tilpasse prøvetagningen efter patientens vejrtrækning for at stikke det rigtige sted, ramte robotten ofte forkert. Men det rettede hans algoritme op på.
Sidste år flyttede han med familien til Aarhus for at slutte sig til universitetet i en stilling som lektor ved Institut for Mekanik og Produktion. Her håber han at udvikle implantater, nye teknologier og løsninger, som kan komme mange patienter til gode. Patienter, der i dag ikke får den hjælp, de har brug for.
Det bedste fra begge verdener
Det, der gør Subburaj Karupppasamys forskergruppe til noget særligt, er, at de kombinerer viden fra to forskellige discipliner: Ingeniørvidenskaben og den medicinske verden.
Det er to forskningsområder, som typisk ikke kombineres, forklarer Subburaj Karupppasamy.
- Størstedelen af den medicinske forskning, der foregår, fokuserer på nye typer medicin og ikke mekaniske løsninger. Pengene er i at udvikle nye lægemidler. Det betyder, at det meste teknologi til implantater i dag er ret low-tech, siger han.
Implantater og behandlinger til en lang række sygdomme er ikke blevet videreudviklet i årtier. Teknologien bag behandlingerne er, som Subburaj Karupppasamy formulerer det, baseret på meget gammel teknologi. Nye og kraftfulde computere, kunstig intelligens og 3D-printere gør det dog muligt at udvikle alle mulige nye typer implantater.
- I min optik er der plads til enorm meget forbedring og til at skabe store positive forandringer i folks dagligdag. Vi har alle disse nye computerværktøjer, men vi har ikke rigtig brugt dem inden for dette forskningsområde. Det er præcis, hvad vi vil gøre, slutter han.
Kontakt
Subburaj Karupppasamy
Lektor
Institut for Mekanik og Produktion
Email: subburaj@mpe.au.dk
Tlf.: 93 52 13 93
Jeppe Kyhne Knudsen
Journalist og videnskabsformidler
Faculty of Technical Sciences
Email: jkk@au.dk
Tlf.: 93 50 81 48