Bei Hüftprothesen sollen Schallwellen helfen, die Schnittstelle zwischen Knochen und Implantat zu analysieren um eine Implantatlockerung frühzeitig zu erkennen. Für seine Bachelorarbeit im Studiengang Technische Physik erhält er nun den Georg-Simon-Ohm-Preis der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG).

Weniger Schmerzen, mehr Beweglichkeit: Ein künstliches Hüftgelenk schenkt Patientinnen und Patienten Lebensqualität. Doch bei zehn Prozent der Patient*innen mit einem künstlichen Hüftgelenk treten in den ersten Jahren nach der Implantation Komplikationen auf. Der Grund: eine Lockerung des Implantats durch Spaltbildung zwischen Knochen und Prothese, die im Frühstadium mit konventionellen Methoden nur schwer zu diagnostizieren ist. Häufig wird diese frühzeitige Lockerung durch Bakterien verursacht, die sich in der Knochen-Implantat-Schnittstelle als Biofilm ansiedeln und zu schweren Infektionen führen können. Die Patient*innen müssen dann erneut operiert und aufwendig behandelt werden. Schmerzen und Spätfolgen lassen sich verhindern, wenn die Spaltbildung frühzeitig erkannt wird. Dafür fand der Coburger Student Jan Lützelberger im Rahmen seiner Bachelorarbeit einen neuen Ansatz zur Früherkennung und Analyse.

Im Studiengang Technische Physik entwickelte Lützelberger am Institut für Sensor- und Aktortechnik (ISAT) der Hochschule Coburg ein ultraschallbasiertes Messverfahren. Damit lässt sich der sehr dünne Spalt zwischen Knochen und Prothese vermessen. „Das Ultraschall-Messverfahren, das wir am ISAT entwickelt haben, ist nicht-invasiv. Das heißt, dass kein Gewebe verletzt werden muss und der Patient bei der Anwendung keine Schmerzen hat“, erklärt Lützelberger. Für seine Abschlussarbeit holte er sich auch Expertise aus der Medizin ein und arbeitete eng mit Orthopäden aus dem Regiomed-Klinikum in Coburg zusammen. Jetzt freut er sich über eine besondere Würdigung: Jan Lützelberger wird mit dem Georg-Simon-Ohm-Preis der Deutschen Physikalischen Gesellschaft ausgezeichnet. Die größte physikalische Fachgesellschaft der Welt vergibt diesen Preis jedes Jahr für eine herausragende Arbeit an einen Studierenden der physikalischen Technik oder verwandter Studiengänge.

Prof. Dr. Klaus Stefan Drese, der die Arbeit als einer der Leiter des ISAT betreut hat, freut sich mit seinem Studenten. Drese hebt Lützelbergers „außerordentliches experimentelles Geschick“ hervor und betont, dass dieses Thema gleichzeitig ein tiefes theoretisches Verständnis erfordere: „Jan Lützelberger ist es gelungen, beides in Einklang zu bringen und er hat damit die Grundlage für den Transfer von hochpräziser Messtechnik in eine medizintechnische Anwendung geschaffen.“

Lützelberger hat ein bekanntes analytisches Modell der Reflexion von Schallwellen in einem Dreischichtsystem auf die Knochen-Implantat-Schnittstelle angepasst und erweitert. Eine besondere Herausforderung stellte die Wahl der Messmethodik dar. Das Verfahren wurde sowohl an idealisierten Testsystemen als auch an einem realitätsnahen Knochen-Implantat-System erfolgreich zur Schichtdickenbestimmung im Bereich von 200 Mikrometern bis zwei Millimetern eingesetzt. „Es bietet das Potenzial, die Diagnostik einer Prothesenlockerung im Frühstadium deutlich zu verbessern und gegebenenfalls auch die Bildung eines bakteriellen Biofilms zu erkennen“, sagt Drese. Dazu seien nun weitere Optimierungen und Anpassungen sowie weiterführende experimentelle Tests notwendig. Und damit beschäftigt sich Lützelberger auch im Masterstudium. Der Student, der an der Hochschule Coburg auch für sein vielfältiges soziales Engagement bekannt ist, experimentiert und forscht auch nach seinem Bachelorabschluss in Coburg und am ISAT. Er hat sich für den Masterstudiengang Simulation und Test entschieden: ideal, um die Hüftprothesen-Sensorik weiterzuentwickeln.