Pro­the­senknie­ge­lenk für Kin­der entwickelt

02Damit Kin­dern mit Ampu­ta­tio­nen wäh­rend ihrer Aben­teu­er­rei­sen nichts im Wege steht, hat das Team des eng­li­schen Fami­li­en­un­ter­neh­mens Ortho­mo­bi­li­ty das Pro­the­senknie­ge­lenk VGK‑J ent­wi­ckelt, das bereits ab einem Alter von drei Jah­ren genutzt wer­den kann. Wel­che Her­aus­for­de­run­gen die­ser Pro­zess mit sich brach­te und wel­che Bedeu­tung fluid­ge­steu­er­ten Knie­ge­len­ken zukommt, dar­über berich­tet das Füh­rungs­team um ­Jacob, Jen­ni­fer, Jay und Jona Boen­der im Gespräch mit der OT-Redaktion.

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OT: Das Knie­ge­lenk­sys­tem VGK‑J ist für Kin­der ab drei Jah­ren ent­wi­ckelt wor­den. Sehen Sie in die­ser Alters­klas­se gene­rell Nach­hol­be­darf auf dem Markt?

Jen­ni­fer Boen­der: Kin­der ler­nen vor allem durch Spie­len. Des­halb ist es umso wich­ti­ger, dass ampu­tier­te klei­ne­re Kin­der bereits Pro­the­sen tra­gen, die ihnen ein natür­li­ches und intui­ti­ves Gefühl ver­mit­teln. Hoch­funk­tio­nel­le Knie­ge­len­ke hel­fen ihnen dabei, all­täg­li­chen Akti­vi­tä­ten nachzugehen.

Mikro­pro­zes­sor­ge­steu­er­te Knie­ge­len­ke für erwach­se­ne Ampu­tier­te gibt es bereits seit 1995. Damals erfand James Kel­ly das ers­te Modell, das zunächst auf wenig Inter­es­se am Markt stieß, bevor es spä­ter sehr erfolg­reich wur­de. Nach­hol­be­darf gibt es aller­dings defi­ni­tiv bei der Ent­wick­lung eines Knies für Ampu­tier­te ab drei Jah­ren. Soweit wir wis­sen, gibt es auf dem Welt­markt noch nichts ver­gleich­bar Hoch­funk­tio­na­les. Die Kin­der befin­den sich in die­sem Alter in einer ent­schei­den­den Lern- und Ent­wick­lungs­pha­se – und das VGK‑J hilft ihnen, ihre grund­le­gen­den Mobi­li­täts­be­dürf­nis­se zu befrie­di­gen. Dabei müs­sen wir auf jeden Fall auch beden­ken, dass sie für den Rest ihres Lebens ampu­tiert sein wer­den. Die­se Markt­lü­cke für jün­ge­re Ampu­tier­te zu schlie­ßen, ist unser ganz per­sön­li­ches Ziel und unse­re Herzensangelegenheit.

Die Ent­wick­lung von Pro­the­sen für Kin­der ist ein ent­schei­den­der Schritt in der moder­nen Medi­zin­tech­nik, der nicht nur die Mobi­li­tät, son­dern auch die Lebens­qua­li­tät jun­ger Pati­en­ten erheb­lich ver­bes­sern kann. Ins­be­son­de­re bei der Gestal­tung von Pro­the­senknie­ge­len­ken für Kin­der ab drei Jah­ren ste­hen Inge­nieu­re bei der Ent­wick­lung vor ein­zig­ar­ti­gen Her­aus­for­de­run­gen. Die­se Alters­grup­pe erfor­dert nicht nur funk­tio­na­le, intui­tiv bedien­ba­re und anpas­sungs­fä­hi­ge Lösun­gen, son­dern auch ein beson­de­res Augen­merk auf das Wachs­tum und die sich ver­än­dern­den Bedürf­nis­se der klei­nen Nut­zer. In die­sem Kon­text wird die Ent­wick­lung eines inno­va­ti­ven Pro­the­senknie­ge­lenks für Kin­der zu einem wich­ti­gen For­schungs­feld, das dar­auf abzielt, die Bewe­gungs­frei­heit und das Selbst­be­wusst­sein der betrof­fe­nen Kin­der zu för­dern und ihnen ein akti­ves und erfüll­tes Leben zu ermöglichen.

OT: Kin­der lau­fen, fal­len, toben, spie­len im Sand, sprin­gen in Pfüt­zen – ihre Pro­the­se muss im All­tag viel aus­hal­ten. Hält das VGK‑J all dem stand?

Jay Boen­der: Eltern wis­sen, wie stark und eif­rig Kin­der beim Toben und Spie­len sein kön­nen. Kin­der in die­sem Alter tes­ten Gren­zen aus und sind in ihrer Unbe­schwert­heit unbe­re­chen­bar und den­ken meist nicht dar­über nach, wel­che Kon­se­quen­zen ihr Han­deln hat. Dem­entspre­chend muss ihre Pro­the­se im All­tag tat­säch­lich viel aus­hal­ten. Pro­the­senknie­ge­len­ke wie das VGK‑J sind Medi­zin­pro­duk­te, die erst dann auf den Markt kom­men, wenn sie aus­gie­big struk­tu­rell und funk­tio­nell getes­tet wor­den sind. Das bedeu­tet, dass sie unter ande­rem destruk­ti­ven Tests unter­zo­gen wer­den und die­sen stand­hal­ten müs­sen. Das sind regu­la­to­ri­sche Anfor­de­run­gen, die wir streng
einhalten.

Am Anfang steht die Fantasie

OT: Wel­che Her­aus­for­de­run­gen galt es bei der Ent­wick­lung zu überwinden?

Jona Boen­der: Die Zahl der betrof­fe­nen Ampu­tier­ten ist sehr gering – einer von tau­send Men­schen ist ampu­tiert, und ampu­tier­te Kin­der machen nur einen sehr klei­nen Teil aus. Ein Teil der Her­aus­for­de­rung war also eine rein wirt­schaft­li­che Ent­schei­dung, da der Markt für ein sol­ches Pro­dukt sehr klein ist. Doch wie einst James Kel­ly hat auch unser Team eine Visi­on: Wir glau­ben, dass es kei­nen „Durch­schnitt­s­am­pu­tier­ten“ gibt, und wir arbei­ten dar­an, Pro­duk­te zu ent­wi­ckeln, die einer Viel­zahl von spe­zi­fi­schen Bedürf­nis­sen gerecht werden.

Wir muss­ten ein siche­res und dyna­mi­sches Knie­ge­lenk für jün­ge­re Kin­der ent­wi­ckeln, das alle der fol­gen­den Eigen­schaf­ten in sich ver­eint: hoch­funk­tio­nell, sehr robust, kom­pakt und leicht. Auch die Wahl der ver­schie­de­nen Materia­li­en mit ihren spe­zi­fi­schen Eigenschaf­ten für Fes­tig­keit, Halt­bar­keit oder Fle­xi­bi­li­tät sowie die ver­schie­de­nen Arten von Ober­flä­chen­be­schich­tun­gen zum Schutz vor äuße­ren Ein­flüs­sen und für den robus­ten Ein­satz und die Ver­wen­dung im Was­ser muss­ten sorg­fäl­tig abge­wo­gen und durch­dacht wer­den. Die krea­ti­ven Desi­gnaspek­te und die Form­ge­bung des Knie­ge­lenks waren wei­te­re Her­aus­for­de­run­gen bei der Ent­wick­lung die­ses Pro­the­sen­pass­teils, das größ­ten­teils aus hoch­wer­ti­gen Metal­len besteht, damit es wie ein mensch­li­ches Kör­per­teil aus­sieht und funk­tio­niert. Die­ser Teil der Arbeit ist für uns unbe­zahl­bar und wird mit Hin­ga­be und Lie­be gestal­tet. Die Her­aus­for­de­rung besteht dar­in, Kunst und Aus­füh­rung zu ver­ei­nen, um ein funk­tio­nel­les Design zu schaf­fen. Es beginnt in der Fan­ta­sie, geht dann wei­ter mit einer aus­ge­klü­gel­ten Soft­ware auf einem Lap­top und ent­wi­ckelt sich spä­ter zu einer rea­len Form, die man füh­len, anfas­sen und in einer Werk­statt mit den vor­han­de­nen Mate­ri­al­tei­len zusam­men­bau­en kann.

Fluid­steue­rung vs. elek­tro­ni­sche Steuerung

OT: Wie Ihre ande­ren Model­le wird auch das VGK‑J fluid­ge­steu­ert. Was bedeu­tet das?

Jacob Boen­der: Man muss sich der Tat­sa­che bewusst sein, dass ein Knie­ge­lenk, das ledig­lich mit Flüs­sig­keit gefüllt ist, nicht zwangs­läu­fig ein „gesteu­er­tes“ Knie­ge­lenk ist. Der Begriff „Steue­rung“ ist in der tech­ni­schen Fach­spra­che von beson­de­rer Bedeu­tung: Er besagt, dass das Knie unter vari­ierenden äuße­ren Bedin­gun­gen sta­bi­li­siert wird. Es gibt eini­ge flüs­sig­keits­ge­füll­te Knie­ge­len­ke, die sich bei einer dop­pelt so gro­ßen Stei­gung dop­pelt so schnell beu­gen – das ist pro­ble­ma­tisch! Es muss über eine Steue­rung ver­fü­gen! Ein gesteu­er­tes Knie­ge­lenk soll­te die Beu­ge­ge­schwin­dig­keit an einer Stei­gung begren­zen, wie es das mensch­li­che Bein von Natur aus tut. Das mensch­li­che Knie­ge­lenk beugt sich nicht dop­pelt so schnell, wenn die Belas­tung dop­pelt so hoch ist. Die Mus­keln pas­sen sich an. Eine Steue­rung ist dann gege­ben, wenn die Beu­ge­ge­schwin­dig­keit sta­bi­li­siert und begrenzt wird, zum Bei­spiel bei einem dop­pelt so stei­len Abhang – sie soll­te dann nur 10 Pro­zent, aber kei­nes­falls 100 Pro­zent höher sein. In die­sem Sin­ne ist beim Gehen mit einem „gesteu­er­ten“ Gelenk der Knie­beu­ge­win­kel auf maxi­mal 63 Grad begrenzt, wie es beim mensch­li­chen Bein der Fall ist, unab­hän­gig von der Geh­ge­schwin­dig­keit. Ein wei­te­res Merk­mal eines „gesteu­er­ten“ Gelenks ist nicht zwangs­läu­fig die Elek­tro­nik, son­dern die Tat­sa­che, dass eine Rück­kopp­lung statt­fin­det, die den Wider­stand dyna­misch regelt. Dies ist zwar auch mit Elek­tro­nik mög­lich, aber Elek­tro­nik allein bedeu­tet nicht, dass es immer eine Steue­rung gibt. Fluid­ge­steu­er­te Knie­ge­len­ke sind in die­sem Sin­ne dyna­misch gesteu­er­te Gelenke.

OT: Wie genau funk­tio­niert der Prozessor?

Jacob Boen­der: Der Flui­dik-Pro­zes­sor nutzt die natür­lichen Eigen­schaf­ten von Flüs­sig­kei­ten und die Lage im Raum, um mathe­ma­ti­sche Ope­ra­tio­nen durch­zu­füh­ren, Rück­kopp­lungs­schlei­fen zu imple­men­tie­ren und einen Sta­tus­spei­cher zu inte­grie­ren. Dadurch hat das fluid­ge­steu­er­te Knie­ge­lenk eine Ver­ar­bei­tungs­ge­schwin­dig­keit, die 300 Hertz ent­spricht. Das bedeu­tet, dass das Kon­troll­sys­tem inner­halb von 0,003 Sekun­den auf Ver­än­de­run­gen ­reagiert – also gefühlt in Echt­zeit. Der Flui­dik-Pro­zes­sor ermög­licht zudem auch eine intui­ti­ve Bedie­nung, die dem Anwen­der das Gefühl ver­mit­telt, sei­ne Mobi­li­tät selbst in der Hand zu haben, anstatt dass eine Soft­ware die Kon­trol­le über­nimmt und unter Ver­brauch von Ener­gie (Strom) vor­pro­gram­mier­te Algo­rith­men ein- oder aus­schal­tet. Die Funk­ti­ons­wei­se des Pro­zes­sors ist äußerst aus­ge­klü­gelt. Inter­ne Sen­so­ren inter­agie­ren mit den natür­li­chen Eigen­schaf­ten der Hydrau­lik­flüs­sig­keit, um den Durch­fluss prä­zi­se zu steu­ern. Mit ande­ren Wor­ten, ein fluid­ge­steu­er­tes Knie­ge­lenk nutzt dyna­mi­sche phy­si­ka­li­sche Prin­zi­pi­en zur Steue­rung: Es ver­wen­det Sen­so­ren, die Geschwin­dig­keit und Kraft mes­sen, sodass die Ven­til­funk­tio­nen ange­passt wer­den. Auf die­se Wei­se reagie­ren sie in unter­schied­li­chen Situa­tio­nen beim Gehen in Echt­zeit, indem sie den Bewe­gungs­wi­der­stand und die Geh­ge­schwin­dig­keit inner­halb eines ein­zi­gen Schrit­tes anpassen.

OT: Fluid­steue­rung vs. elek­tro­ni­sche Steue­rung: Wo lie­gen die Vor- und Nachteile?

Jay Boen­der: Betrach­tet und ver­gleicht man flüs­sig­keits­ge­steu­er­te (FPK) und mikro­pro­zes­sor­ge­steu­er­te (MPK) Knie­ge­len­ke, erge­ben sich meh­re­re Gemein­sam­kei­ten und Unter­schie­de, aus denen sich die jewei­li­gen Vor- und Nach­tei­le ablei­ten las­sen. Sowohl FPK als auch MPK sind grund­sätz­lich mecha­ni­sche Gerä­te, die unter ande­rem die glei­chen Mate­ria­li­en wie Metall und Kunst­stoff ver­wen­den, die aus mecha­ni­schen Kom­po­nen­ten wie Ven­ti­len bestehen und Kol­ben ver­wen­den. Bei­de Arten zie­len dar­auf ab, die Mobi­li­tät von Ampu­tier­ten zu ver­bes­sern und eine höhe­re Geh­dy­na­mik und Sta­bi­li­tät zu errei­chen. Der kla­re Vor­teil der fluid­ge­steu­er­ten Knie­ge­len­ke ist ihre intui­ti­ve Bedie­nung. Die­se Gelen­ke sind beson­ders benut­zer­freund­lich und benö­ti­gen kei­ne Bat­te­rien, die regel­mä­ßig auf­ge­la­den wer­den müs­sen. Das macht den Nut­zer unab­hän­gig, denn die Pro­the­se kann jeder­zeit ein­ge­setzt wer­den und bleibt ein­satz­be­reit. Dar­über hin­aus reagie­ren FPK in Echt­zeit ohne elek­tro­ni­sche Ver­zö­ge­rung und stel­len sich sofort auf die Bewe­gun­gen des Pro­the­sen­trä­gers ein. Fluid­ge­steu­er­te Knie­ge­len­ke punk­ten auch durch ihre Robust­heit, da sie raue­ren Umge­bun­gen stand­hal­ten kön­nen. Sie sind was­ser­dicht und somit unemp­find­lich gegen­über unter­schied­li­chen Umwelt­be­din­gun­gen und reagie­ren zuver­läs­sig. Die Fle­xi­bi­li­tät der anpass­ba­ren Optio­nen mag zwar im Ver­gleich zu mikro­pro­zes­sor­ge­steu­er­ten Knie­ge­len­ken ein­ge­schränk­ter sein, aber Flui­dik-Knie­ge­len­ke sind in punc­to Sicher­heit und Anpas­sungs­fä­hig­keit gleich leistungsstark.

Beglei­tung von Kind­heit über Jugend bis hin zum Erwachsenenalter

OT: Kaum hat man ein neu­es Paar Schu­he für sein Kind gekauft, ist es die­sen schon wie­der ent­wach­sen. Wie sieht es mit dem Knie­ge­lenk­sys­tem aus – passt es sich den Bedürf­nis­sen der Anwender:innen an?

Jona Boen­der: Wir haben das VGK‑J so kon­zi­piert, dass es bereits im frü­hen Alter ein­ge­setzt wer­den kann. Das Knie­ge­lenk kann sich dem Wachs­tum und der Ent­wick­lung der Kin­der anpas­sen. Wenn sie grö­ßer wer­den, wird das ­VGK-XS für Jugend­li­che ab 35 Kilo­gramm emp­foh­len, um sie bis ins Erwach­se­nen­al­ter zu begleiten.

Mark­ein­füh­rung des VGK‑J in Planung

OT: Noch ist das Knie­ge­lenk nicht auf dem Markt. Zu wann pla­nen Sie die Ein­füh­rung und wel­che Schrit­te sind bis dahin noch erforderlich?

Jen­ni­fer Boen­der: Wir haben bereits den Pro­to­typ des VGK‑J auf der OTWorld in Leip­zig im Mai 2024 vor­ge­stellt. Wir stre­ben eine Markt­ein­füh­rung in Deutsch­land im ­Dezem­ber 2024 oder Janu­ar 2025 an. Bis dahin wird das VGK‑J von der Ziel­grup­pe in Zusam­men­ar­beit mit ortho­pä­di­schen Werk­stät­ten auf Herz und Nie­ren geprüft.

OT: Wel­ches Feed­back haben Sie von den Anwender:innen erhal­ten? Was schät­zen die Kin­der besonders?

Jacob Boen­der: Das VGK‑J basiert auf einer ähn­li­chen Tech­no­lo­gie wie das eta­blier­te VGK-XS für Jugend­li­che. Nut­zer des VGK-XS sagen, dass sie die Sicher­heit des Knies und die Mög­lich­keit, ver­schie­de­ne Akti­vi­tä­ten durch­zu­füh­ren (Rad­fah­ren, varia­bles Gelän­de, varia­ble Geh­ge­schwin­dig­kei­ten), schät­zen. Dies sind alles Eigen­schaf­ten, die wir trotz des begrenz­ten Plat­zes in das VGK‑J über­nom­men haben.

Das VGK‑J hat bereits umfang­rei­che Fini­te-Ele­men­te-­Tests durch­lau­fen. Die Span­nung ist also groß. Da die struk­tu­rel­len Tests jedoch noch nicht abge­schlos­sen sind, bleibt abzu­war­ten, wie das Feed­back der jün­ge­ren Kin­der aus­fal­len wird.

Die Fra­gen stell­te Pia Engelbrecht.