Die digitalen Möglichkeiten, die dem versorgenden Orthopädie-Techniker zur Verfügung stehen, werden erläutert und den herkömmlichen Methoden gegenübergestellt. Es wird ein Weg aufgezeigt, fertigungsgerechte 3D-Daten von Hilfsmitteln zu erstellen. Der vorgestellte Prozess wird beispielhaft an Unterschenkelversorgungen dargestellt, lässt sich aber auf andere Versorgungen übertragen, bei denen es notwendig ist, mit einer Testversorgung zu arbeiten. Des Weiteren werden Forschungsansätze vorgestellt, die den beschriebenen Versorgungsprozess vereinfachen werden.
Einleitung
Die digitale Fertigung umfasst das rechnergestützte Konstruieren sowie die additive Fertigung und hat sich in einigen Bereichen der individuellen Hilfsmittelversorgung wie zum Beispiel bei Handorthesen 12 und bei Unterschenkelorthesen 34 bereits etabliert. Aber auch im Bereich Armprothetik 5 sind die ersten Passteile erhältlich. Die Frage, welche Vor- und Nachteile entstehen, wenn man sich für das digitale Arbeiten entscheidet, kann nicht allgemeingültig und für jede Versorgungsart beantwortet werden. Grundsätzlich ist Stand der Technik, dass das digitale Arbeiten und dabei insbesondere die additive Fertigung neue Möglichkeiten der Hilfsmittelversorgung bietet und manche Arbeitsschritte ersetzen oder zumindest verändern kann. Ein kompletter Ersatz handwerklicher Arbeit ist aber nur schwer vorstellbar. In diesem Artikel wird ein möglicher digitaler Versorgungsprozess mit einer additiv gefertigten Unterschenkelversorgung (Prothese oder Orthese) von der Modellerstellung über die Konstruktion bis hin zur Fertigung aufgezeigt. Dieser Versorgungsprozess basiert auf den Erfahrungen der Verfasser in diesem Bereich.
Seit 2003 beschäftigt sich die Firma Gottinger mit dem digitalen Erstellen orthopädietechnischer Hilfsmittel 6. Stand zu Beginn das Scannen, Verändern und Fräsen von Modellen im Vordergrund, so hat sich dies durch die Weiterentwicklung des Rapid Prototyping verändert. Seit 2008 wurden Machbarkeitsstudien in diversen Forschungsprojekten realisiert 7 8 9. Zeitgleich wurden Prozesse erprobt, die sich als praxistauglich erwiesen [10]10. Auf diesem Weg gelang es erstmals, eine Prothesenversorgung durchzuführen, die orthopädietechnischen Ansprüchen genügt (Abb. 1). Dazu wurden Konstruktionswege erarbeitet, die es ermöglichten, nicht nur die Passform, sondern auch den statischen Aufbau in ein Konstruktionsprogramm zu übernehmen 11.
Versorgungsprozess unter Anwendung digitaler Fertigungsmöglichkeiten
Im Folgenden wird ein funktionierender digitaler Versorgungsprozess (Abb. 2) dargestellt, wobei es viele verschiedene Möglichkeiten gibt. Vergleicht man die etablierte handwerkliche Erstellung individueller Hilfsmittel mit dem digitalen Vorgehen, so wird sich Ersteres auch unter Zuhilfenahme digitaler Möglichkeiten nicht gravierend verändern. Denn erstens ist bei einer qualitativ hochwertigen Hilfsmittelversorgung die Passformoptimierung nicht wegzudenken; zweitens ist der statische Aufbau ebenfalls ausschlaggebend für eine funktionierende Hilfsmittelversorgung 12; drittens schließlich sind die einzelnen Bauteile so zu wählen, dass sie ausreichend Sicherheit verleihen und biomechanisch validiert sind. All dies erfordert die Mitwirkung des orthopädietechnischen Handwerks. Was sich ändert, sind bestimmte Tätigkeiten – so tritt an die Stelle der handwerklichen Gießharztechnik die digitale Konstruktion.
Erste Modellerstellung
Die erste Modellerstellung erfolgt in zwei Schritten:
1. Erstellung des Patientenmodells
2. Modellierung
Welche Methode bei der Modellierung angewendet wird, hängt von mehreren Faktoren ab. Techniker mit geringen CAD-Kenntnissen werden sich bevorzugt für den klassischen Gipsabdruck entscheiden. Dem gegenüber stehen die digitalen Möglichkeiten, mit denen die erste Modellerstellung auf der Basis von Scan, MRT/CT oder auch mit induktiven Sensoren 13 gewonnen werden kann. Somit steht der manuelle Abformprozess mittels Gipsbinden in Konkurrenz zu digitalen Abformprozessen. Zwar empfinden manche Anwender, Ärzte und Orthopädie-Techniker die erstere Abformtechnik als veraltet, dennoch sollte man sich die Vorteile dieser Methode ins Gedächtnis rufen: Be- und Entlastungsareale sowie Weichteilverschiebungen und Korrekturmaßnahmen lassen sich auf diesem Weg gut mit dem Anwender erarbeiten und gegebenenfalls überprüfen. Bei jeder dieser unterschiedlichen Vorgehensweisen muss eine Modellierung des Körpermodells erfolgen. Dabei gibt es wiederum mehrere Möglichkeiten:
- Zum einen kann dies auf einem der üblichen Wege erreicht werden: Gipsabdruck ausgießen und modellieren oder das digitalisierte Modell fräsen und händisch modellieren.
- Zum anderen besteht die Möglichkeit, an das unmodellierte digitalisierte Patientenmodell sogenannte Mastermodelle anzupassen. Das einfachste Beispiel in diesem Zusammenhang ist das Anpassen über Flächeninhalte. Die jeweiligen zugehörigen Querschnittflächen des Mastermodells werden dabei schichtweise auf die gewünschte Größe (entsprechend dem Patientenmodell) verformt und auf die korrekte räumliche Position geschoben. Über Austragungsbefehle erhält man ein grob vormodelliertes Positiv, das sich am Formverlauf, am Volumen sowie an der Querschnittsgröße des Patientenmodells orientiert. Dieses Modell kann dann mit einer weiteren Software feinmodelliert werden. Beide Modelle – das Patientenmodell und das vormodellierte Modell – befinden sich in einem Koordinatensystem; Abweichungen des Patientenmodells vom modellierten Positiv können so durch die Software bestimmt und angezeigt werden.
- Eine dritte Möglichkeit der digitalen Modellerstellung besteht in der Übertragung von abgenommenen Patientenmaßen auf Mastermodelle. Dazu gibt es speziell an die Orthopädie-Technik angepasste Software, die dies schnell und intuitiv ermöglicht. Aber auch einfache Konstruktionsprogramme können dies parametrisch bewerkstelligen.
Unabhängig von den eingesetzten Methoden wird diese erste Modellerstellung im nächsten Prozessschritt durch eine Testversorgung überprüft und angepasst.
Testversorgung
Bauteile wie Prothesenschäfte oder Orthesen lassen sich mit Hilfe des additiven FDM-Verfahrens kostengünstig zu Testzwecken herstellen. Auch wenn es noch nicht gelungen ist, dabei ganz die Transparenz tiefgezogener Hilfsmittel zu erreichen, so ist sie doch sicherlich ausreichend. Auch Stabilität und Nachformbarkeit sollten hier genügen.
Nachdem die Testversorgung optimal angepasst ist, muss zur Konstruktion des definitiven Hilfsmittels der Übergang vom realen Testhilfsmittel in die virtuelle, digitale Arbeitsebene erfolgen. Dies ist unabdingbar, wenn man additiv fertigen will.
Konstruktion
Vor der Konstruktion muss die Testversorgung digitalisiert werden. Dabei ist es besonders wichtig, die Passform sowie den dynamisch optimierten Aufbau zu übertragen. Der einfachste Weg ins Digitale besteht darin, das Testhilfsmittel in einem Stück einzuscannen. Die Innenfläche beschreibt die Passform; die Außenkontur zeigt die Positionen der Passteile an. Unmöglich wird dies, wenn Hinterschneidungen vom Scanner nicht erfasst werden können. Dann kann es sinnvoll sein, das Hilfsmittel auszugießen und einzuscannen, anschließend das Positiv zu separieren und ebenfalls einzuscannen. Beide Geometrien werden dann zueinander ausgerichtet 14.
Die Erfahrung hat gezeigt, dass die sogenannte Best-Fit-Methode dabei kaum befriedigende Ergebnisse liefert. Sinnvoll ist es dagegen, zunächst gemeinsame Referenzen zu separieren, diese übereinanderzulegen und dann die dazugehörige Restgeometrie nachzuziehen 15. Dies stellt dann die Basis für die Konstruktion dar.
Die meisten Konstruktionsprogramme arbeiten mit von der Scansoftware gebildeten triangulierten Modelloberflächen (Abb. 3a) nur bedingt gut. Ein kurzer Modellneuaufbau schafft Abhilfe, wobei darauf zu achten ist, dass die Abweichungen möglichst minimal sind und keine wichtigen Details verfälscht werden oder verlorengehen. Man erhält ein geglättetes Oberflächenmodell. Dieses ist in ein bis zwei Flächen (Abb. 3b) aufgeteilt, die eindeutig von der Konstruktionssoftware identifiziert werden können und als Basis für die Konstruktion dienen (Abb. 3c).
Durch die adäquate Vorbereitung einer Konstruktionsbibliothek im Zusammenspiel mit Automatisierungsalgorithmen kann dann der Konstruktionsprozess erfolgen. Bei Unterschenkelversorgungen wird mit dem Importieren der Passteile begonnen. Da die Basisgeometrie einem zuvor definierten Koordinatensystem zugeordnet ist, wird auch das Passteil korrekt platziert. Änderungen der Höhe, Verschiebungen und Neigungen können durch manuelle Eingriffe in die Konstruktion durchgeführt werden.
Möglicher Konstruktionsablauf bei einer Unterschenkelprothese
Ist das Schaftmodell mit ausreichender Wandung belegt, kann die Verbindung zum Prothesenfuß über diverse Stabilisierungselemente (Abb. 4) entlang der senkrechten Hauptbelastung erfolgen. Sind alle weiteren Einzelparts wie Verschlusssysteme und Gelenke eingefügt, wird die Kosmetikform generiert.
Mit vier Leitkurven und drei Austragungsprofilen gelingt dies schnell und einfach (Abb. 5a). Die Form der Kosmetik wird dann – wie bei herkömmlich hergestellten Prothesen auch – mehr oder weniger von der natürlichen Beinform abweichen. Dies ist dem Prothesenaufbau, der Fußform und der Schaftdicke geschuldet. Da allerdings beim Design meist gar nicht erst versucht wird, ein Abbild der erhaltenen Gegenseite widerzuspiegeln, sondern es eher futuristisch gestaltet wird, stellt dies bei additiv gefertigten Hilfsmitteln erfahrungsgemäß kein Problem dar (Abb. 5b).
Die Konstruktion von Unterschenkelorthesen unterscheidet sich von der von Unterschenkelprothesen: Hierbei wird ausschließlich über der Oberflächengeometrie des Körpers additiv konstruiert. Daher ist diese Konstruktion schwieriger durchzuführen und der Automatisierungsaufwand dementsprechend höher als in der Unterschenkelprothetik (Abb. 3c).
Betrachtet man jetzt die Arbeiten von der Erstellung des unmodellierten Patientenmodells bis zur Fertigung, fehlen Systeme, die diese Arbeitsschritte vereinfachen. Deshalb wurde in einem Forschungsprojekt versucht, die digitalen Werkzeuge – Scan und Konstruktion – an die Praxis anzupassen und einzelne Konstruktionsschritte zu automatisieren.
Um das Ausgießen des Negativs und/oder des Testhilfsmittels zu umgehen, wurde mit der Entwicklung eines Scansystems begonnen. Dieses besteht aus einem Außen- (Abb. 6a) und einem Innenscanner (Abb. 6b). Beide Systeme arbeiten auf Basis der Photogrammetrie. Der Außenscanner besteht aus einem Tisch mit Aufnahmen für 32 Kameras, die so angeordnet sind, dass einfache mittelgroße Geometrien wie Hilfsmittel, Positive oder Negative in einem Messvorgang (320 Einzelbilder) erfasst werden können. Komplexere Modelle wie beckenübergreifende Orthesen können zur Steigerung der Genauigkeit in zwei Messvorgängen erfasst werden: in der Grundposition und in einer um 45° gegenüber der Grundposition gedrehten Position des Körpers. Aus 320 bzw. 640 Einzelbildern werden dann die 3D-Geometrien erstellt. Drei Laserlinien zeigen die Orientierung im Koordinatensystem an und visualisieren die spätere Ausrichtung im Konstruktionsprogramm.
Der Innenscanner ist so konzipiert, dass er beim Einführen in das Negativ bzw. in das Hilfsmittel einen möglichst gleichmäßigen Abstand zur Innenwand des Objektes aufweist, was gerade bei abgewinkelten und langen Geometrien wichtig ist. So wird der Bildflug stabilisiert und kann dementsprechend qualitativ ausgewertet werden. Die Zusammenführung von Innen- und Außenscan erfolgt über zuvor angebrachte Passmarken (Abb. 7).
Das Ergebnis der Zusammenführung ist in Abbildung. 8a wiedergegeben. Für eine anschauliche Darstellung wurde die Außengeometrie transparent dargestellt (grau). Eine rein visuelle Betrachtung zeigt, dass die Modelle morphologisch übereinstimmen und dass keine Überschneidungen erkennbar sind. Zur Überprüfung des Konzeptes wurden Soll-Ist-Vergleiche zwischen den berechneten Innengeometrien und den mittels Atos Triple Scan erfassten ausgegossenen Positiven durchgeführt. Ein Beispiel zeigt die Abweichung in Abbildung 8b.
Fertigung und Montage
Bei der anschließenden Fertigung ist besonders auf eine gleichbleibende Qualität zu achten. Dabei können mehrere Faktoren einfließen: die Pulverqualität, die Maschinenauswahl und deren Parameter sowie Abkühlvorgänge. Diese Einflüsse sind nicht zu unterschätzen, und man sollte sich von einer gleichbleibenden Qualität überzeugen. Ein weiterer, wenn nicht sogar der größte Einflussfaktor für die Qualität des Bauteils ist die Konstruktion selbst. Dabei ist auf eine Wandstärke zu achten, die ausreichend Sicherheit gewährleistet und gut zu fertigen ist. Mit konstruktionsbegleitenden Simulationen können Schwachstellen lokalisiert werden. Eine zutreffende Aussage zur Sicherheit des Bauteils erfordert aber Abgleiche in realen Tests 16.
Besteht das Hilfsmittel aus mehreren Bauteilen, müssen diese noch montiert werden. Dabei müssen gesinterte Teile oft nachbearbeitet werden: Kleine Gewinde müssen geschnitten, Passungen nachbearbeitet, Hohlräume geleert oder raue Oberflächen geschliffen werden. Auch mögliche Farbvarianten wie in Abbildung 9 werden zurzeit im Nachgang der Fertigung für jedes einzelne Bauteil getätigt.
Kontrolle des definitiven Hilfsmittels
Die Endkontrolle (Prothesenaufbau und Passform) des Hilfsmittels erfolgt dann wieder unter Ausschluss digitaler Möglichkeiten, zumindest was die Funktion beim Anwender betrifft. Hat die Übertragung vom Testhilfsmittel zum definitiven Hilfsmittel optimal funktioniert, sollten keine Änderungen nötig sein. Trotzdem kann es ratsam sein, sich kleine Änderungsmöglichkeiten offenzuhalten. So ist es z. B. sinnvoll, eine rutschfeste Sohle in der Konstruktion einzuplanen, mit der man die Pro- und Supination des Hilfsmittels durch Zuschleifen nachkorrigieren kann.
Zur Qualitätskontrolle gibt es die Möglichkeit, gesinterte Bauteile im CT zu durchleuchten. Dadurch erhält man Auskunft über die Qualität der Verschmelzung einzelner Schichten. Dies ist allerdings im Alltag für jedes einzelne Bauteil schwer durchzuführen und zu bewerten. Abbildung 10 zeigt eine Unterschenkelprothese mit einem Riss im Bereich der Kniescheibe. Hier konnte durch die CT-Aufnahmen bestätigt werden, dass dieser nicht auf Fehler im Sinterprozess zurückzuführen war.
Fazit
Digitale Werkzeuge erweitern die gewohnten Arbeitsprozesse und bieten neue Möglichkeiten in der individuellen Hilfsmittelversorgung. Aber es ist auch ein verantwortungsvoller Umgang mit diesen neuartigen Methoden gefordert. Eine ausschließliche Konzentration auf das schnelle Arbeiten durch automatisierte Prozesse führt nicht zu einem qualitativ hochwertigen Versorgungsziel. Daraus resultierende Kompromisse bezüglich der Passform, des Aufbaus und der Erreichung des Therapiezieles sind inakzeptabel und würden einen Rückschritt in der Orthopädie-Technik bedeuten. Der dargestellte Versorgungsprozess zeigt, dass eine sorgfältige orthopädietechnisch geprägte digitale Fertigung hochwertige und kompromisslose Versorgungen erzielen kann.
Immer bessere Materialien, stabilere Sinterprozesse und intuitiv zu bedienende Konstruktionsprogramme senken die Eintrittshürden. Die Konstruktion als solche wird einen erheblichen Anteil an der Alleinstellung jedes Betriebes haben, den Berufsalltag des Orthopädie-Technikers in attraktiver Weise verändern und zu vielfältigen Designvarianten in der modernen Hilfsmittelversorgung führen.
Der Autor:
Dipl.-Ing (FH) Johannes Pröbsting
Gottinger Handelshaus OHG
Ilchingerweg 1
85604 Zorneding
jnp@gottinger.de
Begutachteter Beitrag/reviewed paper
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