Die Herausforderung
von Margaret Golz, Richard Wysk, Russell King. Colin Nolan-Cherry, & Stephen Bryant (North Carolina State University)
Vorgestellt auf der Wintersimulationskonferenz 2018
Medizintechnikunternehmen haben ein wachsendes Interesse an der additiven Fertigung (AM) für die Herstellung orthopädischer Implantate. AM bietet eine Möglichkeit für wirtschaftlich machbare, maßgeschneiderte Implantate als Ergänzung zu den derzeit traditionell gefertigten Prothesen in Standardgröße. In diesem Beitrag wird ein Simulationsmodell entwickelt, um die Lieferkette für die Herstellung von kundenspezifischen Hüftschäften mit AM zu analysieren. Ein Testfall wird in das Simulationsmodell implementiert, um die Reaktionen der Versorgungskette in Bezug auf wichtige Leistungsindizes, wie z. B. die Produktionsvorlaufzeit einer einmalig angepassten Prothese und die Ressourcennutzung, auf Variationen des Ressourcenniveaus auf der Grundlage des aktuellen Stands der Technik für additive und subtraktive Fertigung zu bestimmen. Die Methode dieser Forschung bestand darin, eine Simulation zu verwenden, die sich auf die Messung der Leistung der Lieferkette für Hüftschaftimplantate konzentrierte, um den Ressourcenbedarf der Lieferkette zu bestimmen.
Einleitung und Motivation
Bei der Arthroplastik, auch Gelenkersatz genannt, werden Prothesen in Standardgröße verwendet, die zu einem mechanischen Gelenk zusammengesetzt werden. Ein Gelenkersatz wird notwendig, wenn ein Patient durch ständige, starke Gelenkschmerzen erheblich beeinträchtigt ist und die konservative Behandlung ausgeschöpft ist. Gelenkersatzoperationen sind relativ sicher und können sowohl die Schmerzen lindern als auch die normale Beweglichkeit wiederherstellen. Aufgrund der erheblichen Belastung des Körpers durch tägliche Aktivitäten nutzen sich die Implantate ab und können versagen; die 25-Jahres-Überlebensrate eines Hüftimplantats liegt bei über 80 % (Shan et al. 2014). Wenn ein Implantat versagt, ist eine viel kostspieligere, schwierigere und risikoreichere Revisionsoperation erforderlich. In den USA werden jährlich mehr als eine Million Gelenkersatzoperationen durchgeführt, wobei die Hüfttotalendoprothese (THA) etwa ein Drittel davon ausmacht (OrthoInfo 2017).
Abbildung 1 zeigt die drei Teile eines Hüftprothesenimplantats: den Femurschaft (der in die Markhöhle im Oberschenkelknochen eingesetzt wird), die Hüftpfannenkomponente (die die Pfanne im Beckenbereich ersetzt) und den Hüftkopf (der den Femurschaft mit der Hüftpfannenkomponente verbindet und gleichzeitig eine normale Hüftbewegung ermöglicht); jedes Teil gibt es in verschiedenen Größen. Derzeit werden in der Regel herkömmliche Herstellungsverfahren verwendet, um Standardgrößen und -geometrien von Hüftimplantaten für alle Patienten herzustellen. Die herkömmlichen Verfahren zur Herstellung von Hüftprothesenschäften hängen von der Art des verwendeten Materials ab. Schmieden oder Feinguss sind die typischen Verfahren für Medizinprodukte aus Metallen wie Titan, Kobalt-Chrom und Edelstahl. Nachdem die Grundgeometrie geformt ist, wird der Prozess durch Grobbearbeitung, Polieren und Beschichtung abgeschlossen (Zhang et al. 2009). Standard-Hüftschäfte werden nicht individuell für den Patienten angefertigt, daher passen nicht alle Hüftprothesenschäfte perfekt oder funktionieren garantiert gut.
Die Medizin ist aufgrund der zu erwartenden Vorteile zunehmend an Alternativen zu medizinischen Standardimplantaten interessiert. Durch die individuelle Anpassung kann ein Implantat an die spezifische Anatomie des Patienten angepasst werden, einschließlich der Biegesteifigkeit (die in direktem Zusammenhang mit der aseptischen Lockerung steht), der Beinlängendiskrepanz und stark deformierter Oberschenkelknochen (Cronskär et al. 2013). Die aseptische Lockerung, d. h. die Lockerung einer Prothese aufgrund von Abnutzung oder eines Versagens der Osseointegration, ist eine der Hauptursachen für Revisionseingriffe. Bei maßgefertigten Hüftimplantaten muss oft weniger Knochen entfernt werden, um den Hüftschaft während der Operation auszurichten. Es ist wichtig, so viel Knochen wie möglich zu erhalten, falls später eine Revisionsoperation erforderlich ist. Eine Operation mit einem maßgefertigten Hüftimplantat dürfte relativ einfach sein, da das Implantat besser an die Knochengeometrie des Patienten angepasst werden kann, obwohl wahrscheinlich keine Standardknochenschnitte verwendet werden. Eine einfache Anpassung könnte auch zu kürzeren Operationszeiten führen und dürfte die Wahrscheinlichkeit einer aseptischen Lockerung verringern (Harrysson et al. 2007). Die Forschung befindet sich noch im Anfangsstadium, aber einige wenige Studien deuten darauf hin, dass maßgeschneiderte Prothesen das Potenzial haben, den Schmerz und das Leiden, das Infektionsrisiko und die Behandlungszeit für den Patienten zu verringern. Möglicherweise kann die Lebensdauer des medizinischen Implantats verlängert werden, so dass Revisionsoperationen aufgeschoben oder vermieden werden können.
Die additive Fertigung, auch Rapid Prototyping oder 3D-Druck genannt, hat gezeigt, dass sie in der Lage ist, maßgeschneiderte Implantate anhand von Computertomografiescans (CT) des Patienten zu erstellen; sie ist in der Lage, einzigartige, komplexe Geometrien relativ einfach zu erzeugen, da sie Teile durch Auftragen von Material in einem einzigen Querschnitt aufbaut. AM bietet die Möglichkeit, medizinische Implantate kostengünstig an die anatomische Geometrie und das Aktivitätsniveau des Patienten anzupassen. Eine spezielle Art von AM, das Elektronenstrahlschmelzen (EBM), ist bei der Herstellung von Medizinprodukten von Vorteil, da es zur Herstellung von Prothesen aus einer Titanlegierung verwendet werden kann, die bereits von der FDA zugelassen ist. Darüber hinaus ist die Oberflächenbeschaffenheit der Titanlegierung Ti6Al4V bei der Herstellung mit der EBM-Technologie biokompatibel und weist im Vergleich zu herkömmlichen Implantaten eine gleichwertige oder möglicherweise verbesserte Osseointegration auf (Haslauer et al. 2010; Thomsen et al. 2008). Bei Teilen, die mit EBM hergestellt werden, fällt weniger Materialabfall an als bei der Herstellung von Standardteilen mit herkömmlichen Fertigungsmethoden (Sing et al. 2015). EBM wird derzeit für die Produktion von orthopädischen Standardimplantaten (insbesondere trabekuläre Strukturen) mit CE-Zertifizierung und FDA-Zulassung eingesetzt (Arcam AB 2018).
Es gibt eine ausgewählte Anzahl von Unternehmen, die Hüftpfannen aus Ti6Al4V mit der EBM-Maschine von Arcam herstellen. Eines dieser Unternehmen, die Adler Ortho Group, begann 2007 mit der Herstellung CE-zertifizierter Hüftimplantate (Arcam EBM 2018). Die Hüftpfannen sind nur eine Lagergröße, und bis Anfang 2014 wurden von Adler Ortho und anderen Unternehmen über 90.000 Implantate hergestellt; 40.000 dieser mit EBM hergestellten Hüftpfannen wurden implantiert. Ebenfalls im Jahr 2014 haben etwa 20 verschiedene, mit AM hergestellte Medizinprodukte die FDA-Zulassung für die Implantation erhalten (Gibson et al. 2015).
Die kontinuierliche Weiterentwicklung der AM hat gezeigt, dass sie potenziell einen Teil der aktuellen Nachfrage mit maßgeschneiderten Implantaten oder die gesamte Marktnachfrage mit einer Kombination aus Standard- und maßgeschneiderten Produkten decken könnte. Für ein Medizintechnikunternehmen öffnet die AM-Technologie die Tür zu einer ungewohnten Massenproduktionsmethode; Forschung ist notwendig, um die erforderlichen Ressourcen und die Grenzen der Massenproduktion von maßgeschneiderten Implantaten vorherzusagen. Die Modellierung der Lieferkette kann dem Hersteller vor- und nachgelagerte Verhaltensweisen aufzeigen. Die Simulation der Lieferkette ist ein wertvolles Instrument, das Einblicke in die Angebots- und Nachfragemuster sowie eine Bewertung der Systemressourcen liefern kann. Diese Forschungsarbeit konzentriert sich auf die Entwicklung eines Lieferkettenmodells für patientenindividuelle Hüftschäfte, die Implementierung des Modells in eine Lieferkettensimulationssoftware und die Sensitivitätsanalyse der Ressourcenniveaus.
Hintergrund
In mehreren Studien wurde untersucht, wie AM für orthopädische medizinische Implantate eingesetzt werden könnte. In zwei früheren Studien wurde eine CAD-Modellierung verwendet, um eine maßgeschneiderte Oberschenkelkomponente für eine Knieprothese anhand eines CT-Scans eines Patienten zu entwerfen (Harrysson et al. 2007, Harrysson et al. 2003). In einer Studie wurde eine Finite-Elemente-Analyse (FEA) an den individuellen und konventionellen CAD-Modelldateien durchgeführt, um die Spannungsverteilung zu bewerten. Die Ergebnisse zeigten mehrere vielversprechende Vorteile der individuellen Implantate gegenüber den konventionellen: eine gleichmäßigere Spannungsverteilung, die das Risiko einer vorzeitigen Lockerung verringert, ein geringerer Bedarf an chirurgischen Eingriffen und Füllkomponenten (aufgrund einer besseren Passform) und etwa 40 % weniger Knochenabtrag. Die Gruppe stellte fest, dass einige der Nachteile durch den Einsatz von AM für die Komponentenherstellung gemildert werden könnten (Harrysson et al. 2007).
Die Vorteile könnten durch die Verwendung von AM für die Komponentenherstellung abgeschwächt werden (Harrysson et al. 2007). In der zweiten Studie wurde eine kundenspezifische Oberschenkelkomponente eines Knieimplantats für Hunde mit EBM hergestellt und die Herstellungszeit mit dem traditionellen Feinguss desselben kundenspezifischen Teils verglichen. Die traditionelle Methode dauerte mehr als dreimal so lange wie das EBM-Verfahren zur Herstellung des maßgefertigten Implantats. Das Bauteil für die EBM-Maschine wurde anhand eines CT-Scans des Patienten unter Mitwirkung der orthopädischen Chirurgen entworfen; die Vorbereitung der Feile für die Herstellung dauerte 1,5 Stunden. Das benutzerdefinierte Design wurde aus Ti6Al4V-Pulver hergestellt, einem Material, das von der FDA für die Implantation in Patienten für bestimmte medizinische Geräte, die mit AM hergestellt wurden, zugelassen wurde. Die Gruppe stellte fest, dass die EBM-Technologie zur Herstellung kundenspezifischer medizinischer Implantate und zur Gestaltung poröser Oberflächen direkt im Bauteil verwendet werden kann (Harrysson et al. 2003).
Thomsen et al. (2008) führten eine In-vivo-Analyse des Knochenwachstums von Ti6Al4V-EBM-Implantaten durch und stellten keinen nennenswerten Unterschied in der Gewebereaktion gegenüber polierten, traditionell hergestellten Implantaten aus Titanlegierungen fest. Die Studie ergab auch eine Osseointegration auf struktureller Ebene. Vor der Implantation wurden die Teile 25 Minuten lang mit Ultraschall gereinigt. Nach dem Waschen wurden die Implantate in sterilen Beuteln mit Dampf autoklaviert.
Hüftschaftprothese. Die Gruppe stellte 7 Hüftschaftimplantate mit einer Arcam A2 EBM-Maschine her und bearbeitete den gleichen Satz von Implantaten zum Kostenvergleich. Die Implantate wurden während der Feilenpräparation vertikal ausgerichtet, um die beste Oberflächengüte zu erzielen. In der Studie wurde außerdem eine Fertigung mit 14 individuellen Implantaten simuliert, um die Bearbeitungszeit bei voller Auslastung der EBM-Maschine zu beobachten. Die simulierte Bearbeitungszeit für 7 und 14 Implantate betrug 36 Stunden bzw. 38 Stunden. Die tatsächliche Verarbeitungszeit für den Druck von 7 Implantaten entsprach in etwa der Simulationszeit; die Abkühlungszeit nach Abschluss des Aufbaus betrug 8 Stunden. Der Materialverlust bei der Herstellung betrug 24 % des Gesamtgewichts der Implantate; der Materialverlust bei den mit EBM gefertigten Teilen war um 35 % geringer als bei der herkömmlichen Methode. Der Studie zufolge dauerte die Vorbereitung der EBM-Datei (Modifizierung der CAD-Datei, Erzeugung von Stützen und Kompilierung) etwa 40 Minuten. Vor dem Druck benötigte die EBM-Maschine etwas mehr als eine Stunde, um sich aufzuwärmen und das Vakuum in der Kammer zu erzeugen. Nach dem Druck mussten die Bediener das überschüssige Pulver entfernen und die Maschine/Implantate reinigen, was ebenfalls etwa eine Stunde dauerte. Im Anschluss an den EBM-Druck erforderte die subtraktive Fertigung mit CNC-Maschinen weitere 2 Minuten pro Implantat für das Fräsen und 1,5 Stunden pro Implantat für das Schleifen und Polieren. Die Gruppe kam zu dem Schluss, dass kundenspezifische AM-Implantate kommerziell machbar und gegenüber maschinell hergestellten Implantaten wirtschaftlich vorteilhaft sind (Cronskär et al. 2013).
In einer von Shouche (2016) durchgeführten Untersuchung wurde ein Lieferkettenmodell für mit AM hergestellte Hüftschäfte vorgestellt. Es wurden Referenzmodelle für die Lieferkettenabläufe für maßgefertigte und herkömmliche Hüftschäfte erstellt; die Forschung konzentrierte sich auf den Vergleich der beiden Modelle anhand von Leistungsmetriken. Das Modell für den maßgefertigten Hüftschaft wurde mit der Arena-Simulationssoftware implementiert und ist in Abbildung 2 dargestellt; es war die Inspiration für weitere Forschungen zu diesem Thema. Das Modell simuliert den Prozess jeder Patientenbestellung, beginnend mit der Diagnose des Arztes und endend mit der Lieferung des Implantats an das Krankenhaus oder dem Verwerfen des Implantats, wenn das Teil nicht ausreichend ist. Dieser Prozess umfasst CAD-Modellierung, EBM-Fertigung und CNC-Bearbeitung zur maschinellen Fertigstellung des Implantats. Der Ressourcenbedarf zur Deckung eines jährlichen Bedarfs von 166.000 Implantaten (etwa die Hälfte der jährlich durchgeführten HTEP) wurde durch Simulationen ermittelt; das System erfordert 1.190 Medizintechniker zur Fertigstellung der CAD-Modellierung und 110 EBM-Maschinen (beide bei 65 % Auslastung). In der Studie wurde ferner festgestellt, dass das Metallpulver zur Herstellung der Hüftschäfte und die Anzahl der EBM-Maschinen am stärksten auf Änderungen der Produktionsmenge reagieren (Shouche 2016).
