Das Versorgungsspektrum 3D-gedruckter Rumpforthesen, dargestellt anhand von vier Fallbeispielen
Der 3D-Druck stellt für die Konstruktion und die Versorgung mit Rumpforthesen einen neuen Weg dar, um noch besser und effektiver auf die individuellen Bedürfnisse von Patientinnen und Patienten eingehen zu können. Mit dieser Technik wird das mögliche Versorgungsspektrum erweitert, weil die biomechanische Konstruktion einer erfolgreichen Versorgung besser an die Alltagsbedürfnisse der zu Versorgenden angepasst werden kann. Ziel ist es, dass die Patienten das Hilfsmittel annehmen – sei es ein Kleinkind, ein Teenager oder ein Erwachsener im fortgeschrittenen Alter. Das Hilfsmittel muss sich gut in den Alltag integrieren lassen, denn erst dann können die biomechanischen Errungenschaften und das Wissen um die Verbesserung der Gesundheit zum Tragen kommen. Dabei hat die additive Fertigung im Korsettbau nach Ansicht der Autoren nichts mit „Rapid Prototyping“ oder kostengünstiger Schnellfertigung zu tun. Vielmehr stellt sie eine hochspezialisierte Möglichkeit dar, durch eine maximierte Individualisierung die Alltagstauglichkeit und den Komfort einer Rumpforthese zu optimieren. Die Patienten erhalten ein verbessertes Tragegefühl, während die Techniker diese Methode leicht in den gewohnten Versorgungsablauf integrieren können. Wie vielfältig das Versorgungsspektrum mit 3D-gedruckten Rumpforthesen sein kann, zeigt der folgende Artikel anhand von vier Fallbeispielen.
Einleitung
Seit mehr als fünf Jahren werden im Unternehmen der Autoren in Kroatien Patienten mit 3D-gedruckten Rumpforthesen versorgt. Von Anfang an wurden dabei zwei Hauptkriterien für eine erfolgreiche Versorgung definiert:
- die Effektivität der Versorgung und
- deren Alltagstauglichkeit.
Diese Faktoren entscheiden, ob die Bereitschaft der Patienten, die Therapie mitzutragen, vom Hilfsmittel unterstützt wird. Die im Folgenden vorgestellten Versorgungen wurden mit hauseigenen Druckern per Fused Deposition Modeling (FDM) hergestellt. Die dazu jeweils verwendeten Druckmaterialien (Filamente) werden individuell unter Berücksichtigung der Bedürfnisse bzw. der Wünsche der Patienten und der daraus resultierenden Konstruktion ausgewählt.
Die Patienten werden nach dem Maßnehmen per Tablet („iPad“, Apple Inc., Cupertino, Kalifornien) mittels eines daran befestigten „Structure Sensor“ (Occipital Inc.) gescannt. Der speziell für den Medizinbereich entwickelte Sensor ermöglicht 3D-Funktionen für das iPad. Die orthopädietechnische Modellierung erfolgt mit dem Programm „Neo“ der Firma Rodin4D (Gerstetten-Heldenfingen). Anschließend werden verschiedene Programme zur Gestaltung des Korsetts eingesetzt. Oftmals ergeben sich erst in der Kombination dieser Softwareanwendungen die gewünschten Ergebnisse. Sowohl „Meshmixer“ als auch „Simplify3D“ kommen anschließend als typische Programme zur G‑Code-Generierung zur Anwendung.
Die im Folgenden vorgestellten Versorgungen wurden mit eigenen 3D-Druckern per FDM-Technik hergestellt. Aktuell handelt es sich bei den verwendeten Filamenten um Mischderivate, die auf Polypropylen basieren. Ein hausintern entwickeltes Filament ist zudem in der Erprobung. Darüber hinaus wurden alle im Einsatz befindlichen Drucker durch firmeneigene Umbauten spezifiziert, die den mit dem Druck großer Objekte per FDM einhergehenden vervielfachten Belastungen der maschinellen Teile besser entsprechen.
Die vorgestellten Ergebnisse der Versorgungsbeispiele sind die Resultate eines fünfjährigen Prozesses fortwährender Optimierung von Hard- und Software. Im Folgenden wird anhand von vier Fallbeispielen aufgezeigt, welche unterschiedlichen Möglichkeiten der Rumpforthetikversorgung sich mit der 3‑D-Technologie bieten.
Fallbeispiel 1: Zweijähriger Patient mit Spina bifida
Indikation
Patient M. ist zwei Jahre alt und ein aufgeweckter, munterer Junge. Seine offene thorakale Spina bifida wurde operativ geschlossen, und es wurde ein Shunt gelegt. Geblieben ist nach der Operation eine schlaffe Hemiparese mit massiver Instabilität des Oberkörpers. Derzeit erkennbar ist dies an einer Gibbusbildung, die der Patient zeigt, wenn er ohne Hilfsmittel länger sitzen muss. Da er seine rechte Hand präferiert und sich dabei mit der linken Hand abstützt, hat sich eine linkskonvexe Skoliose gebildet. Sowohl eine Rumpfstreckung als auch eine aktive Rotation im Schultergürtel sind nicht möglich.
Bisherige Versorgung
Außer der Notwendigkeit, den Rumpf des Patienten zu stabilisieren, war es wichtig, die verbliebene Restmuskelstärke nicht mit einem zu starren Korsett stillzulegen 1 2. Gleichzeitig sollte jedoch das Korsett die Arme als Hauptstütze während des Sitzens entlasten, damit mit beiden Händen frei gespielt und gehandelt werden kann. Ein Stressfaktor bei der bisherigen Versorgung bestand insbesondere für die Mutter darin, dass sie, wenn sie ihr Kind in den Arm nahm, das Gefühl hatte, dass es in einem „Plastikpanzer“ stecke.
Neue Versorgung – Konzept
Den oben aufgeführten Aspekten konnte mit einem individuell entworfenen Korsett entsprochen werden. Während die Seiten Stabilität und Sicherheit (Abb. 1a) vermitteln, konnten Front- und Rückseite etwas dünner (reduziert um ca. 30 % der sonstigen Wandstärke) gestaltet werden. Als positiver Nebeneffekt ergab sich eine hohe Toleranz für jeglichen Füllzustand der getragenen Windel (Abb. 1b). Ebenso positiv kommentierte die Mutter das In-den-Arm-Nehmen. Dabei fühlt sich das Hilfsmittel nach ihrer Auskunft eher wie eine etwas dickere Jeansweste an, nicht wie ein klassisches Korsett. Durch die bei den Korsetten der Autoren typische großflächige Perforierung (Abb. 1c) wird die Regulierung der Körpertemperatur nur kaum merklich gestört; gerade die Narbenbereiche auf dem Rücken des hier vorgestellten Patienten bleiben ohne Irritation. Das Korsett kann leicht und ohne viel Aufwand gepflegt und gereinigt werden.
Erstellung der Versorgung
Hergestellt wurde die Versorgung nach einem Scan, bei dem der Patient von seiner Mutter in Sitzposition gehalten wurde. Als Grundkonstruktion bot sich eine zirkulär umfassende, weitgehend symmetrisch gehaltene Form an. Die Gewichtsübernahme wird durch den Kraftschluss um den Thorax erreicht. Zusätzlich fangen die axillaren Anstützungen einen Teil des Gewichts auf. Allerdings musste auf eine ungestörte Durchblutung und auf eine gute Abpolsterung geachtet werden, da der Patient über den Tag „in die Orthese rutscht“ – wie oben erwähnt besteht beim Patienten kaum Muskelkraft, die zur selbstständigen Rumpfstabilisierung genutzt werden könnte. Der Bauch wurde mit einer weichen Lasche (im Druck integriert) gefasst. Die Trochanteranlagen sind knapp über der Sitzfläche abgesetzt, damit das Korsett sowohl Kleidung als auch Sitzflächen nicht aufreibt.
Aufgrund der vielen Krankenhausaufenthalte hat der Junge eine starke Stressreaktion entwickelt, sobald es um das Thema Gipsabdruck geht. Insofern konnte das berührungslose Vermessen hierbei nicht nur seine Schnelligkeit ausspielen, sondern erwies sich durch die fehlende Berührung auch als überaus positiv für den gesamten Versorgungsablauf und förderte nachhaltig die wichtige positive Stimmung während der folgenden Termine und Anproben.
Fallbeispiel 2: 13-jähriger Patient mit juveniler Skoliose
Indikation
Der 13-jährige L. fällt mit seiner juvenilen Skoliose etwas aus dem üblichen Rahmen der Versorgung idiopathischer Skoliosen. Neben der Ausgangslage, bei der nur sehr unzureichende Röntgenaufnahmen zur Diagnosestellung und Versorgungsplanung vorlagen (Abb. 2a u. b), warf die stark von der Norm abweichende Grundhaltung des Patienten mehr Fragen als Antworten für die Autoren auf (Abb. 3a u. b): Neben einer thorakalen Hauptkrümmung mit einer zusätzlichen leichten kompensatorischen Krümmung im lumbalen Bereich stellte eine starke thorakale Kyphose mit massiver Vorrotation beider Schultergelenke (Abb. 4) eine recht komplexe Aufgabe dar, denn bei der Erstvorstellung war kaum eine Eigenkorrektur möglich. Die fachärztliche Diagnose enthielt als einzigen Punkt lediglich eine idiopathische Skoliose auf dem Befund; eine weitere Eintragung (möglicherweise „Marfan-Syndrom“) war kaum leserlich. Allerdings bestätigten weitere Tests dies nicht; auch die sonst mehr oder weniger starke typische Bindegewebsschwäche lag nicht vor.
Bisherige Versorgung
Mit 13 Jahren befindet sich der Patient in der Pubertät, insofern steht das Tragen eines Korsetts auf seiner Prioritätenliste nicht ganz oben. Gleichzeitig hat er jedoch in letzter Zeit mehr Eigenwahrnehmung und den Wunsch entwickelt, seine Körperhaltung zu verbessern. Mit den bereits unternommenen Physiotherapien war diesbezüglich kein zufriedenstellendes Resultat erreicht worden. Da sein Risser-Zeichen bei 1 bis 2 liegt, entschied man sich für die Anfertigung eines Korsetts, um sowohl ein Fortschreiten der Skoliose zu mindern als auch seine Haltung insgesamt zu verbessern. Vor allem sein beidseitig prominenter lateraler Rippenbogen stellt für ihn persönlich eine ästhetische Belastung dar (Abb. 5).
Konzept und Erstellung der Versorgung
Nach einem Scan und dem Maßnehmen wurde ein dreidimensional korrigierendes Korsett entworfen. Vom bekannten Versorgungsschema nach Chêneau/Rigo mussten die Autoren etwas abweichen 3 4 5: Die Korrektur der Skoliose erfolgt mit einer der zweibogigen Form entsprechenden notwendigen Kombination aus Druckpelotten und Expansionsbereichen. Nur durch ein beidseitiges umfassendes Beckenteil erhielten sie genug Rotationsstabilität für die wiederum im Schultergürtel auftretenden Kräfte. Ebenso mussten beide Schulterblätter gefasst und durch Druck in der entkyphosierenden und gleichzeitig derotierenden Bewegung geführt werden. Von frontal wurden zwei weiter kranial platzierte sowohl entkyphosierende als auch derotierende Spangen eingearbeitet. Beide Spangen wurden dabei so angelegt, dass ein leichtes Nachpassen möglich ist, da eine Derotation des Schultergürtels nur in kleinen Schritten möglich sein wird (Abb. 6a–d). Die Nacharbeiten können hierbei mit einem werkstatttypischen Heißluftfön erfolgen. Ein großer Vorteil 3D-gedruckter Korsette besteht darin, dass Nachpassungen schnell und sicher vorgenommen werden können. Das gedruckte Material (ein Filament aus Polypropylen Derivat) nimmt die Hitze schnell auf; dabei kommt es aber nicht zu einer großflächigen, sondern zu einer gezielten und lokalen Verformung – nur dort, wo der Techniker eine Verformung vornimmt, biegt sich das Material in eine neue Form. Der sonst störende Memory-Effekt – eine Entformung zurück in die Platte – entfällt völlig. Ziel beim hier vorgestellten Fall ist ein Anpressdruck, der den Humeruskopf inklusive Schulterblatt nach dorsal führt, ohne eine Druckstelle zu verursachen. Um die Atmung nicht zu sehr zu beeinträchtigen, wurde das Bauchteil beidseitig elastisch gehalten, sodass der Druck auf die Rippenbögen bei angelegtem Korsett sanft und je nach Tagessituation über die Klettverschlüsse reguliert werden kann. Nach kranial lässt das Korsett mehr Volumen zu und gleicht so die reduzierte Bauchatmung aus. Dies unterstützt eine konstante derotierende Kraft auf die Schulterstellung (Abb. 7a u. b).
Fallbeispiel 3: 86-Jähriger mit Morbus Bechterew
Indikation und bisherige Versorgung
Herr V., 86 Jahre alt, stellte sich mit der Grunddiagnose „Morbus Bechterew“ vor. Neben der Grunderkrankung bzw. der vor vielen Jahren stattgefundenen und nun fixierten Abweichung der Wirbelsäulenform erlebt der Patient eine zunehmende Belastung durch mehr und mehr Schmerzen. Verursacht durch die eingeschränkte Beweglichkeit seiner Wirbelsäule hatten sich im Laufe der Zeit ungünstige Bewegungsmuster gebildet, die nun zu weiteren Beschwerden z. B. im Nacken führten.
Vorüberlegungen und Konzept der Versorgung
Außer den typischen Leistungsverlusten, die mit zunehmendem Alter zu erwarten sind, verstärken die genannten Bewegungsmuster nun die ehemals vom Patienten „überspielten“ Einschränkungen auf das Empfindlichste. Der Patient erlebt daher eine massive und schnelle Verschlechterung seiner Lebenssituation. Gleichzeitig findet der versorgende Techniker bei hochaltrigen Menschen generell immer weniger anatomisch vorteilhafte Gegebenheiten vor, um ein Hilfsmittel adäquat anzupassen (problematisch sind in diesem Zusammenhang insbesondere schlaffes Gewebe, ein prominentes Abdomen und ein verringerter Rippen-Becken-Abstand). Bewegungseinschränkungen in den oberen Gliedmaßen erschweren zudem die Handhabung einer textilen Orthese mit Gurten. Beim hier vorgestellten Patienten wirkt sich die aufgrund des Morbus Bechterew schon vor Jahrzehnten vorgenommene totale Versteifung der Wirbelsäule jetzt wie ein großer Hebel aus, der den ganzen Körper nach frontal kippt; die verbliebene Beweglichkeit im Sakralbereich und im unteren Lumbalbereich kann nicht mehr oder nur noch teilweise genutzt werden, da die dafür notwendigen Muskeln nach jahrelanger Überbeanspruchung kein Potenzial mehr haben (Abb. 8a u. b).
Der geistig vitale und selbstständige Patient suchte nach einer Stabilisierungshilfe, die die fehlende aufrichtende Muskelkraft ersetzt, damit er wenigstens seinen Aktionsradius im Alltag (Haus, soziale Kontakte, Einkaufen) weiter bewältigen kann. Von Anfang an wurde nach einer Lösung gesucht, die vom Patienten zeitweise – je nach Tagesablauf – angelegt und getragen werden kann. Da er textile Konstruktionen schon mehrfach getestet hatte, ohne zu einem befriedigenden Ergebnis zu gelangen, wurde nun eine Rumpforthese im klassischen Dreipunkt-System geplant 6 7.
Erstellung der Versorgung
Dazu wurde der Patient in der ihm maximal möglichen aufgerichteten Position gescannt und vermessen. Die hohe Genauigkeit des Scanners übertrifft nach Ansicht der Autoren bei Weitem die Möglichkeiten eines klassischen Gipsabdrucks, der in diesem Fall schon aufgrund der Herz- und Kreislaufprobleme des Patienten gar nicht hätte durchgeführt werden können. Somit stellt dieser Fall ein adäquates Beispiel dar, das zeigt, wie wichtig es ist, dass Scan, CAD und schließlich auch Fertigung mit so geringen Toleranzen wie möglich in Bezug auf die Bedürfnisse des Patienten ineinandergreifen.
Der Effekt der für den Patienten schließlich angefertigten Orthese besteht in einer nur 15 mm großen Zurückverlagerung des Körperschwerpunktes. Dieses gering erscheinende Maß entscheidet also darüber, ob der Patient selbstständig agieren kann oder nicht (Abb. 9a u. b). Zur Erzielung dieses Effekts wurde eine Teilflexibilität des Materials in Kombination mit einer gezielten Verstärkung der Profile gewählt, damit der Oberkörper zwar gestützt wird, aber der Patient sich so frei wie möglich bewegen kann. Ähnlich einer Redressionsfeder kann das Korsett auf diese Weise die fehlende Muskelkraft ersetzen, ohne den Patienten noch stärker zu fixieren, als es schon durch seine Grunderkrankung verursacht wird. Ein Vorbeugen sollte möglich sein, jedoch das Aufrichten – soweit noch möglich – durch das Korsett unterstützt werden.
Durch die recht geringe Materialstärke des Korsetts kann das Hilfsmittel unter einem Hemd getragen werden, ohne aufzufallen; die Wandstärke variiert lediglich zwischen 4 und maximal 12 mm. An dieser Stelle kamen die besonderen Vorteile des 3D-Drucks zum Tragen: Mit wenig Aufwand konnte die vom Patienten vorgegebene optimale Position reproduziert werden; gleichzeitig konnte mit verschiedenen Wandstärken und mit den entsprechenden Funktionseinheiten (Bauchlasche, Reklinationsbügel, dorsaler Rahmen etc.) (Abb. 10a–c) eine effektive Stabilisierung des Rumpfes erreicht werden 8. Die bei der ersten Anprobe noch benutzte textile Bauchbinde wurde in der finalen Version durch eine in den Druck integrierte Bauchfassung abgelöst. Hieraus ergab sich ein besserer Kraftschluss, da der teilelastische Bauchgurt zu viel der aufrichtenden Federkraft absorbierte und dem Patienten daher keinen Nutzen bot.
Fallbeispiel 4: Siebenjähriger Patient mit Ehlers-Danlos-Syndrom und Mitochondriopathie
Indikation und bisherige Versorgung
Patient J., sieben Jahre alt, wurde mit der Diagnose „Ehlers-Danlos-Syndrom mit zusätzlicher Mitochondriopathie“ vorgestellt. Er war 2019 schon mit einem 3D-gedruckten Korsett versorgt worden. Das damalige gute Ergebnis hielt allerdings nicht lange an – der allgemeine gesundheitliche Zustand des Patienten verschlechterte sich schon nach einem knappen halben Jahr aufgrund seiner Mitochondriopathie. Diese Entwicklung führte dazu, dass das Tragen des Korsetts erst reduziert, dann ganz unterlassen wurde.
Der Versuch, die rapide Verschlechterung der Rumpfstabilität des Patienten mit einem teilelastischen stabilisierenden Body zu therapieren, zeitigte nicht den gewünschten Erfolg. Zusammen mit der im März 2020 einsetzenden Coronapandemie, durch die notwendige Kontrolltermine nicht wahrgenommen werden konnten, erfolgte eine fast galoppierende Verschlechterung der Skoliose. Aktuell (Stand: November 2021) wird nach einer operativen Lösung gesucht, um die über 110 Grad Krümmung der Wirbelsäule nach Cobb im thorakalen Bereich zu stabilisieren.
Erstellung der Versorgung
Trotz der massiven Skoliose (Abb. 11a–c) läuft und bewegt sich der Patient zwar völlig frei – auffallend sind dabei jedoch seine überbeweglichen Kniegelenke und die in Wellen auftretenden Ermüdungszustände. Bei der Anamnese stellte sich die Wirbelsäulenverformung als sehr rigide dar und ließ sich nur im Liegen merklich aufdehnen. Daher wurde im Liegen ein frontaler und nach Umwenden in Bauchlage ein zweiter, dorsaler Scan vorgenommen. Die Scans der Rückenlage und der Bauchlage wurden dann digital zusammengefügt und als Ausgangspunkt für den Fertigungsprozess verwendet. Biomechanisch gesehen stellt das hier konzipierte Korsett eine Kombination aus einem Bettungskorsett (Becken und unterer Rippenbereich) und einem Reklinationskorsett (Thorax und Axilla) dar. Digitale Korrektur und Formgebung erwiesen sich als komplex, da der rechte Beckenkamm des Patienten übergangslos mit der 11. Rippe verschmilzt. Für die Erstellung des Korsetts wurde die Software „Neo“ der Firma Rodin4D eingesetzt (Abb. 11d).
Die Anprobe verlief ohne Probleme. Einige kleinere Weichteilpolster mussten eingepasst werden, um Druckspitzen abzufangen. Die massive Veränderung des Sternum-Bereichs, einhergehend mit der Verschiebung des Schultergürtels, erforderte mehrfache Anpassungsschritte während der Anprobe. Im Sternum-Bereich wurde insbesondere darauf geachtet, dass der Patient genug Platz zum Einatmen hat und dass der Brustkorb sich in seiner verdrehten Form nach kranial derotierend extendieren kann. Der Zugewinn an Stabilisierung der Skoliose wurde allerdings mit einer Versteifung des Rumpfes erkauft (Abb. 12a–c). Es muss sich noch zeigen, ob der Patient diese Stabilisierung erfolgreich in sein Bewegungsmuster (insbesondere in Bezug auf Kopfkontrolle und Schrittzyklus) integrieren kann oder ob ihn dies zu viel Energie kostet. Dann müssen neue Lösungen in der Versorgung gefunden werden.
Abschließende Einschätzung der Versorgung
3D-drucktechnisch erwies sich vor allem die freie Wahl der Materialstärke in verschiedenen Bereichen des Korsetts von Vorteil. Auch die Nachformbarkeit des gedruckten Materials war für die Anprobe förderlich. Ein per Fused Deposition Modeling (FDM) gedrucktes Korsett kann an jeder beliebigen Stelle mit einem Fön erwärmt und nachbearbeitet werden. Die Erwärmung führt – anders als bei einem tiefgezogenen Korsett – zu keinerlei Verformung. Nur an erwärmten Stellen, die man händisch mittels Niethorn oder Ballhammer verändert, lässt sich das Material in eine andere Form bringen; benachbarte Bereiche bleiben trotz der Wärmezufuhr formstabil – ein sehr vorteilhafter Aspekt, der gerade bei kleinen, filigranen Nachpassungen zum Tragen kommt (Abb. 13).
Fazit
Nach den Erfahrungen der Autoren sind die meisten von ihnen behandelten Patienten hoch motiviert und streben eine Verbesserung ihres gesundheitlichen Zustandes an. Häufig verbraucht sich dieses Motivationsvolumen jedoch recht schnell angesichts eines an den Alltag der Patienten nicht gut genug angepassten Versorgungskonzepts – nur durch das aktive Annehmen des Hilfsmittels wird entschieden, ob seine volle Wirksamkeit zum Tragen kommt 9 10. Wie anhand der Fallbeispiele im Bereich Rumpforthesen aufgezeigt werden konnte, hilft dabei der 3D-Druck nach den Erfahrungen der Autoren, den Anforderungen in höherem Maß und vor allem in individuellerer Form zu entsprechen als bei einer konventionellen Versorgung: Bisher notwendige Material- und Fertigungskombinationen werden dabei durch eine kompakte und eng miteinander verzahnte Konstruktion abgelöst – von der Konzeption bis zur Herstellung der Versorgung wird dadurch die Zahl der notwendigen Kompromisse stark reduziert.
Für die Autoren:
Andreas Würsching, OTM
Geschäftsführer und Inhaber
Kuca zdravlja d. o. o./3DScolioTM
Poljicka 31
HR-10 000 Zagreb
Kroatien
wuersching@kuca-zdravlja.com
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