Der digi­ta­le Ver­sor­gungs­pro­zess für die unte­ren Extre­mi­tä­ten Teil 1: 3D-Scan­nen – Tech­ni­sche Mög­lich­kei­ten und prak­ti­sche Umsetzung

Ein­füh­rung

Die Digi­ta­li­sie­rung schrei­tet im Bereich der Hilfs­mit­tel­ver­sor­gung immer wei­ter vor­an. Am Beginn des digi­ta­len Ver­sor­gungs­pro­zes­ses steht nach der aus­führ­li­chen Ana­mne­se und kör­per­li­chen Unter­su­chung die Erfas­sung der Kör­per­form. Die so erwor­be­nen Daten wer­den nach­fol­gend in der CAD-Kon­struk­ti­on wei­ter­ver­ar­bei­tet und abschlie­ßend das geplan­te Pro­dukt in digi­ta­len Fer­ti­gungs­ver­fah­ren erstellt und am Pati­en­ten anprobiert.

Der Arti­kel gibt einen Über­blick über die der­zeit ver­füg­ba­ren Scan­tech­no­lo­gien mit Schwer­punkt auf der Ver­sor­gung der unte­ren Extre­mi­tät und hier vor allem des Fuß-/Sprung­ge­lenk­kom­ple­xes. Dar­ge­stellt wird der tech­ni­sche Hin­ter­grund der unter­schied­li­chen Scan­ver­fah­ren mit den dar­aus resul­tie­ren­den jewei­li­gen Vor- und Nach­tei­len. Die durch den Scan erzeug­ten 3D-Daten bil­den die Grund­la­ge für den dar­auf auf­bau­en­den Kon­struk­ti­ons­pro­zess. Dabei bestimmt die Güte des Scans folg­lich die Qua­li­tät der wei­te­ren Ver­sor­gung. Ande­rer­seits erhöht die Genau­ig­keit des Scans die zu ver­ar­bei­ten­de Daten­grö­ße, stellt damit aber auch höhe­re Anfor­de­run­gen an die Hard­ware. Damit Betrie­be einen geeig­ne­ten Scan­ner für ihre Anwen­dun­gen wäh­len kön­nen, ist es somit von Anfang an wich­tig, das Ziel bzw. das Anwen­dungs­feld zu ken­nen und zu defi­nie­ren. Nur so lässt sich eine der­ar­ti­ge Tech­nik effek­tiv und wirt­schaft­lich in der Ver­sor­gung einsetzen.

Scan­tech­no­lo­gien

3D-Daten vom mensch­li­chen Kör­per kön­nen durch ver­schie­de­ne Tech­no­lo­gien wie Laser-Tri­an­gu­la­ti­on, Struk­tur­licht-Tech­no­lo­gie, Time-of-flight-Tech­no­lo­gie, Pho­to­gramm­me­trie oder Ste­reo­sko­pie erfasst werden.

Im nach­fol­gen­den Abschnitt wer­den die für die Ortho­pä­die-Tech­nik (OT) und Ortho­pä­die­schuh­tech­nik (OST) am häu­figs­ten ver­wen­de­ten Tech­no­lo­gien kurz beschrieben.

Laser-Tri­an­gu­la­ti­on

Ins­be­son­de­re bei sta­tio­nä­ren Scan­nern im Bereich der OT/OST kom­men Laser­scan­ner zum Ein­satz. Der Scan­ner besteht aus einem Laser, der einen Licht­punkt oder eine Licht­li­nie auf das zu erfas­sen­de Objekt pro­ji­ziert, und einer Kame­ra, wel­che die reflek­tier­te Licht­li­nie (Licht­punkt) erfasst (Abb. 1). Da sowohl der Abstand als auch der Win­kel zwi­schen Laser­quel­le und Kame­ra bekannt sind, kann mit­tels Tri­an­gu­la­ti­on (Drei­ecks­be­rech­nung) die Posi­ti­on des Punk­tes auf der Ober­flä­che des Objek­tes bestimmt wer­den. Eine Laser­li­nie wird auf das Objekt pro­ji­ziert, die Soft­ware extra­hiert aus dem auf­ge­nom­me­nen Bild die Laser­li­nie und bestimmt anschlie­ßend für jedes X‑Y-Koor­di­na­ten­paar die jewei­li­ge Z‑Koordinate (Tie­fe) über die Tri­an­gu­la­ti­on. Die­se Linie aus Punk­ten reprä­sen­tiert dann die Ober­flä­chen­li­nie des Objek­tes. Damit der Laser das gesam­te Objekt erfas­sen kann, muss ent­we­der das Objekt bewegt und um 360° gedreht wer­den, oder der Laser bewegt sich ent­lang des Objek­tes, wie bei­spiels­wei­se bei dem Voll­fuß­scan­ner der Fir­ma elinvision.

Struk­tur­licht-Tech­no­lo­gie

Auch die­se Tech­no­lo­gie beruht auf der Tri­an­gu­la­ti­on. Anstel­le eines ein­zel­nen Laser­strahls oder Laser­punk­tes wird durch die Infra­rot-Licht­quel­le ein Punkt­mus­ter erzeugt und auf das Objekt pro­ji­ziert. Ein oder zwei Kame­ras neh­men die­ses Punkt­mus­ter auf und anhand der Ver­zer­rung des Mus­ters kann dann auf die Tie­fe des Objek­tes geschlos­sen wer­den. Auch hier wird über den bekann­ten Abstand und Win­kel der Kame­ra zum Pro­jek­tor die Ober­flä­che des Objek­tes bestimmt. Die­se Tech­no­lo­gie benut­zen z. B. die Kinect 360 und der Artec Eva.

Time of flight

Die Time-of-flight-Metho­de nutzt eben­falls einen Laser, aller­dings wird hier die Zeit gemes­sen, die ein Laser­strahl benö­tigt, um vom Objekt reflek­tiert und wie­der erfasst zu wer­den. Gebün­del­tes Licht wird in kur­zen Impul­sen aus­ge­sen­det, trifft auf das zu scan­nen­de Objekt und wird reflek­tiert. Der Emp­fän­ger detek­tiert die­se Reflek­ti­on. Durch die Lauf­zeit, die das Licht bis zum Objekt und wie­der zurück braucht, wird der abso­lu­te Abstand bestimmt. Aus den Infor­ma­tio­nen kann ein drei­di­men­sio­na­les Abbild des Objek­tes erstellt wer­den. Die Time-of-flight-Metho­de kommt z. B. beim LiDAR-Sen­sor im iPad Pro 11 und 12 und in den Pro-Ver­sio­nen des iPho­nes 12 bis 14 zum Einsatz.

Häu­fig wer­den die hier dar­ge­stell­ten Scan­ner um eine RGB-Kame­ra (opti­sche Kame­ra) ergänzt, über die ein Farb­bild des Objek­tes auf­ge­nom­men wird. Die­se Tex­tur­in­for­ma­tio­nen kön­nen dann auf das 3D-Bild über­tra­gen werden.

Pho­to­gramm­me­trie

Die Pho­to­gramm­me­trie ist ein pas­si­ves und berüh­rungs­lo­ses 3D-Scan­ver­fah­ren, da kei­ne akti­ve Licht­quel­le zum Ein­satz kommt. Es wer­den vie­le Bil­der aus unter­schied­li­chen Per­spek­ti­ven vom Objekt auf­ge­nom­men und anschlie­ßend über eine auf­wen­di­ge Bild­ver­ar­bei­tung zusam­men­ge­setzt. Spe­zi­el­le Soft­ware­an­wen­dun­gen set­zen die ein­zel­nen Bil­der anhand von gut bestimm­ba­ren Mar­kern bzw. defi­nier­ba­ren Aus­schnit­ten zusam­men. Die Mar­ker wer­den in den ande­ren Bil­dern gesucht und so posi­tio­niert, dass die­se über­ein­an­der­lie­gen. Sowohl die Posi­ti­on der Kame­ra für das jewei­li­ge Bild wird bestimmt als auch ein 3D-Bild des Objek­tes erzeugt.

Ste­reo­sko­pie

Die Ste­reo­sko­pie ist eben­falls ein pas­si­ves, berüh­rungs­lo­ses 3D-Scan­ver­fah­ren. Zwei Kame­ras wer­den in einem bekann­ten Abstand und Win­kel zuein­an­der posi­tio­niert. Bei­de Kame­ras neh­men ein Bild des Objek­tes auf. Durch die Detek­ti­on von bestimm­ten Bild­punk­ten kann dann eben­falls über Tri­an­gu­la­ti­on ein drei­di­men­sio­na­les Bild erstellt wer­den. Häu­fig wer­den sol­che Sys­te­me noch durch Infra­rot-Pro­jek­to­ren ergänzt, die es ermög­li­chen, ins­be­son­de­re bei Gegen­stän­den ohne Tex­tur bestimm­te Berei­che in den zwei Bil­dern schnel­ler zu detek­tie­ren und dar­aus die Tie­fe zu bestim­men. Die­se Tech­no­lo­gie wird z. B. vom Intel Real­Sen­se 435D genutzt.

Am Ende jedes Scan­pro­zes­ses wird unab­hän­gig von der Scan­tech­no­lo­gie stets eine Datei erstellt, wel­che das Objekt als digi­ta­les drei­di­men­sio­na­les Modell dar­stellt. Das gän­gigs­te For­mat hier­für ist das STL-For­mat. Dar­in wird das 3D-Objekt durch Punk­te auf der Ober­flä­che beschrie­ben, wel­che zu Drei­ecken zusam­men­ge­setzt wer­den und dadurch soge­nann­te Drei­ecks­fa­cet­ten bil­den. STL-For­ma­te kön­nen jedoch nur die Form und kei­ne Tex­tur­ei­gen­schaf­ten (z. B. Far­be) abbil­den. Sol­len auch die­se erfasst wer­den, bie­tet es sich an, das For­mat OBJ zu wäh­len, bei dem neben den 3D-Struk­tu­ren auch bei jeder Facet­te Bild- bzw. Mate­ri­al­in­for­ma­tio­nen gespei­chert wer­den¹.

Neben dem STL- und OBJ-For­mat gibt es noch eine Viel­zahl von wei­te­ren 3D-For­ma­ten am Markt. Der Datei­typ hat für den Anwen­der der Bran­che jedoch kaum Aus­wir­kun­gen. Rele­vant wird dies nur bei bestimm­ten soge­nann­ten geschlos­se­nen Sys­te­men, bei denen die Unter­neh­men eige­ne geschütz­te 3D-For­ma­te nut­zen. Es ist dann schwie­ri­ger, die Daten außer­halb des geschlos­se­nen Sys­tems zu ver­wen­den. Dies geht in den meis­ten Fäl­len dann nur nach vor­he­ri­ger Bezah­lung und damit dem Erwerb der ein­zel­nen Dateien.

Aus­wahl­kri­te­ri­en

Für die Aus­wahl eines geeig­ne­ten Scan­ners ist es wich­tig, dass man die gewünsch­ten Anwen­dungs­fäl­le genau­es­tens kennt, um vor die­sem Hin­ter­grund die Vor- und Nach­tei­le der Scan­ner­tech­no­lo­gien bewer­ten zu kön­nen. Bei Anwen­dungs­fäl­len, die eine hohe Detail­treue benö­ti­gen, müs­sen dem­entspre­chend hoch­auf­lö­sen­de Scan­ner­sys­te­me wie z. B. der EVA-Scan­ner von Artec ein­ge­setzt wer­den. Ist für den Anwen­dungs­fall kei­ne mil­li­me­ter­ge­naue Auf­lö­sung not­wen­dig (z. B. in der Sitz­scha­len­fer­ti­gung), kann auch ein nied­ri­ger auf­lö­sen­des Scan­sys­tem wie der iSen­se-Scan­ner für das iPad ein­ge­setzt wer­den². Anthro­po­me­tri­sche Daten wie Fuß­län­ge und ‑brei­te usw. kön­nen mit 3D-Scan­nern im Ver­gleich zum Mess­schie­ber, Blau­ab­druck oder 2D-Scan mit einer höhe­ren Genau­ig­keit und Zuver­läs­sig­keit erfasst wer­den³.

Roga­ti et al. (2019) konn­ten in ihrer Stu­die zei­gen, dass der Kinect-Scan­ner (Struk­tur­licht-Tech­no­lo­gie) eine kos­ten­güns­ti­ge Alter­na­ti­ve zum Laser­scan­ner (i‑Qube) ist. Die Abwei­chun­gen (RMSE) zwi­schen den bei­den Sys­te­men lagen bei der Erfas­sung der gesam­ten Fuß­flä­che im Mit­tel bei ca. 3 mm und im Bereich der Längs­wöl­bung bei ca. 1,5 mm⁴.

Die Tabel­le 1 stellt die vor­ge­stell­ten Tech­no­lo­gien mit ihren Vor- und Nach­tei­len sowie Anga­ben der Genau­ig­keit dar. Die Anga­ben kön­nen je nach Her­stel­ler vari­ie­ren und sind zudem stark abhän­gig vom Abstand des Scan­ners zum Objekt. Sie die­nen nur einem gene­rel­len Überblick.

Bei der Aus­wahl des Scan­ners soll­ten daher die prak­ti­sche Anwen­dung und das Erfül­len der tech­ni­schen Anfor­de­run­gen, wie z. B. die not­wen­di­ge Genau­ig­keit, den Haupt­ent­schei­dungs­grund dar­stel­len. Zusätz­lich soll­ten fol­gen­de Fra­gen (Kri­te­ri­en) mit in den Ent­schei­dungs­pro­zess einfließen:

– Was soll anhand des Scans gefer­tigt wer­den (Ver­sor­gungs­art)?

– Wo wird größ­ten­teils gescannt (Ein­satz­be­reich, Scanumgebung)?

– Was wird gescannt (Scan­ob­jekt)?

– Wie hoch ist die Nach­be­ar­bei­tung (Arte­fak­te)?

– Wel­che Mit­tel für Inves­ti­tio­nen ste­hen zur Ver­fü­gung (Kos­ten)?

Tab. 1 Vor- und Nach­tei­le sowie Anga­be der Genau­ig­keit der ver­schie­de­nen Sen­sor­tech­no­lo­gien^{15 16 17}.

Über­sicht Digi­ta­le Form­er­fas­sung mit Hil­fe ver­schie­de­ner 3D-Scanner

Hand­scan­ner

Klas­si­sche Handscanner

Der Hand­scan­ner war einer der ers­ten Scan­ner­ty­pen, wel­cher auch in der Ortho­pä­die zum Ein­satz gekom­men ist. Die gän­gi­gen Model­le erzeu­gen bei aus­rei­chen­der Übung gute bis sehr gute Sca­n­er­geb­nis­se. Hier­bei sind vor allem der Scan­ab­stand und die kor­rek­te Füh­rung des Scan­ners ent­schei­dend, um das gesam­te zu scan­nen­de Objekt zu erfas­sen. Hand­scan­ner wer­den um den Fuß des Pati­en­ten bewegt und erfas­sen die Ober­flä­che des Objek­tes. Man kann sich den Vor­gang wie die Mon­ta­ge eines Pan­ora­ma­bil­des aus Ein­zel­bil­dern einer Foto­se­quenz vor­stel­len. Das Ergeb­nis wird gut, wenn man es schafft, die Fotos pas­send anein­an­der aus­zu­rich­ten. Fehlt ein Bild oder hat man beim Foto­gra­fie­ren stark gewa­ckelt, wird das Ergeb­nis unge­nau. Beim Scan­nen spricht man von einem feh­ler­haf­ten Track­ing¹⁸. Nicht immer wird dabei ein Live­bild dar­ge­stellt, gege­be­nen­falls kann erst am Ende des Vor­gangs die Güte des Scans fest­ge­stellt wer­den. Der Scan­vor­gang sel­ber bedarf einer gewis­sen Übung, damit auch alle Berei­che des Objek­tes erfasst wer­den. Hand­scan­ner sind auf­grund ihrer gerin­gen Grö­ße sehr gut mobil ein­setz­bar. Zum Scan­nen sel­ber ist aus­rei­chend Frei­raum not­wen­dig, um das zu scan­nen­de Objekt zu erfas­sen. Zur Ver­mei­dung von Arte­fak­ten ist auf die Scan­um­ge­bung zu ach­ten. Beim Scan­nen ist die Posi­ti­on des Fußes bzw. Bei­nes rele­vant. Der direk­te Scan der gesam­ten Glied­ma­ße ist nur frei hän­gend oder in einer Scan­schie­ne (Abb. 2) mög­lich. Alter­na­tiv ist ein zwei­tei­li­ger Scan von Fuß­rü­cken und Fuß­soh­le bzw. Tritt­schaum durch­führ­bar, mit der Her­aus­for­de­rung des Zusam­men­set­zens der zwei ein­zel­nen Scans (s. Scan­nach­be­ar­bei­tung). Vor­teil­haft ist, dass die Hand­scan­ner zum Erfas­sen aller Kör­per­tei­le geeig­net sind. Bei­spiel­haft sei der Hand­scan­ner „EinStar-Shi­ning 3D“ (Abb. 3) genannt, wel­cher mit struk­tu­rier­tem Licht auf Infra­rot­ba­sis arbei­tet und mit unter 900 Euro ver­hält­nis­mä­ßig güns­tig ist. Die gro­ßen preis­li­chen Unter­schie­de zwi­schen den Ange­bo­ten, sind u. a. in den unter­schied­li­chen genutz­ten Scan­tech­no­lo­gien und Genau­ig­kei­ten begrün­det. Die Scan­da­ten sind für alle Ver­sor­gungs­ar­ten verwendbar.

iPad- und Smartphonescan

Der Struc­tu­re Sen­sor in Ver­bin­dung mit einem iPad ist eine wei­te­re Mög­lich­keit für einen Hand­scan­ner. Der Scan­sen­sor wird auf das iPad auf­ge­setzt (Abb. 4) und arbei­tet dabei nach dem Prin­zip des struk­tu­rier­ten Lichts. Scan­ner und iPad bil­den hier eine kom­pak­te Ein­heit. Die Rah­men­be­din­gun­gen ent­spre­chen denen der klas­si­schen Handscanner.

Inzwi­schen beinhal­ten auch aus­ge­wähl­ten Smart­phone-Model­le einen 3D-Scan­ner, z. B. nutzt das IPho­ne 12 pro einen LIDAR-Scan­ner. Die­ser arbei­tet mit der Time-of-flight-Tech­no­lo­gie. Auch hier hat man den Vor­teil eines kom­pak­ten Scan­ners, der bis­her aber deut­lich gerin­ge­re Genau­ig­kei­ten aufweist.

Nicht hand­ge­führ­te Scanner

Plant­a­rer 3D-Scanner

Ein plant­a­rer 3D-Scan­ner erfasst mit Hil­fe der Laser-Tri­an­gu­la­ti­on nur die plant­are Flä­che des Fußes. Die Höhe des Scans ist hier­bei begrenzt und die dor­sa­le Sei­te des Fußes wird nicht erfasst. Der Fuß steht wie bei einem 2D-Scan­ner auf einer Glas­plat­te. Durch die genutz­te Laser-Tri­an­gu­la­ti­on wird der gesam­te Fuß in unter 10 Sekun­den erfasst und das 3D-Bild erstellt. Der Fuß wird von der Fer­se zur Zehe oder in umge­kehr­ter Rich­tung erfasst. Bei der jeweils zwei­ten Scan­fahrt wird ein Bild auf­ge­nom­men. Ein Scan ist vor­ran­gig halb oder voll­be­las­tet mög­lich, theo­re­tisch aber auch unbe­las­tet durch­führ­bar. Die Kon­takt­punk­te mit der Glas­flä­che sind plan und ins­be­son­de­re Fer­se und Bal­len soll­ten in der Nach­be­ar­bei­tung der Ana­to­mie des Fußes ange­passt wer­den. Zudem kön­nen Tritt­schäu­me ein­ge­scannt wer­den. Die­se Art von Scan­ner wird haupt­säch­lich für Ein­la­gen genutzt.

Voll­fuß­scan­ner

Ein Voll­fuß­scan­ner stellt die ein­fachs­te Vari­an­te dar, einen kom­plet­ten Fuß­scan zu erhal­ten und bedarf der gerings­ten Übung. Der Fuß befin­det sich dabei in einem Scan­raum und steht auf einer Glas­plat­te. Hier­durch ist der Scan­be­reich begrenzt und unemp­find­li­cher gegen­über Umwelt­ein­flüs­sen. Durch das sta­ti­sche Ver­har­ren des Fußes im Scan­ner ent­ste­hen qua­si kei­ne Scan­lü­cken und es wer­den in der Regel kei­ne Arte­fak­te mit­er­fasst. All dies führt zu einer deut­lich gerin­ge­ren Nach­be­ar­bei­tung. Zudem ist eine der Ver­sor­gungs­stel­lung ähn­li­che Posi­tio­nie­rung mög­lich. Der Scan­vor­gang ist dabei zeit­lich deut­lich kür­zer als beim Hand­scan­ner. Die Höhe des Scans ist durch die Höhe des Scan­ners begrenzt. Abbil­dung 5 zeigt ein Bei­spiel eines sol­chen Scan­ners von der Fir­ma Go-tec. Die Scan­da­ten kön­nen für die Her­stel­lung von Ein­la­gen, Maß­schu­hen und Knö­che­lor­the­sen genutzt werden.

Für die nicht hand­ge­führ­ten Scan­ner gilt, dass sie auf­grund ihrer Abma­ße vor­ran­gig für den sta­tio­nä­ren Ein­satz genutzt wer­den. Theo­re­tisch sind sie trans­por­ta­bel und kön­nen mobil ein­ge­setzt wer­den. Preis­lich lie­gen die­se ober­halb der güns­ti­ge­ren Handscannermodelle.

Kör­per­scan­ner

Bei einem Teil- oder Ganz­kör­per­scan­ner umfährt meist die Scan­ein­heit den Pati­en­ten, um den gesam­ten Scan­be­reich zu erfas­sen. Die­se Art Scan­ner arbei­ten eben­falls mit struk­tu­rier­tem Licht. Durch die defi­nier­te Posi­ti­on der Per­son kön­nen die Kör­per­ma­ße inner­halb des Scan­be­reichs an defi­nier­ten Höhen auto­ma­tisch bestimmt wer­den. Beim Scan wird die plant­are Fuß­flä­che nicht in 3D erfasst. Daher wird für die indi­vi­du­el­le Kon­struk­ti­on im Fuß­be­reich ein zusätz­li­cher 3D-Scan der Fuß­soh­le bzw. eines Tritt­schaums benö­tigt. Das anschlie­ßen­de Zusam­men­set­zen der Ein­zel­mo­del­le kann in einer Dritts­oft­ware oder als Dienst­leis­tung im Rah­men einer Auf­trags­fer­ti­gung erfol­gen. Bei­spie­le für Teil- bzw. Ganz­kör­per­scan­ner sind der Body­tro­nic 400 und 410 von Bau­er­feind (Abb. 6). Das erstell­te 3D-Modell und die gewon­nen Maße kön­nen je nach Scan­ner­mo­dell in der Kompressionsstrumpf‑, Ban­da­gen- und Orthe­sen­ver­sor­gung ein­ge­setzt werden.

Scan­hand­schuh

Der­zeit ist es unab­hän­gig von der Scan­tech­no­lo­gie kaum mög­lich, einen kor­ri­gier­ten Scan durch­zu­füh­ren. Nutzt man ähn­lich wie beim Gip­sen die Hand zur Kor­rek­tur, wird die­se als Struk­tur beim Scan mit­er­fasst und ver­deckt die dar­un­ter­lie­gen­den Struk­tu­ren. Um die­ses Pro­blem zu umge­hen, wird der­zeit von einem inter­na­tio­na­len For­schungs­team an der Ent­wick­lung eines „Scan­hand­schuhs“ gear­bei­tet. Die­ser Scan­hand­schuh ist mit Posi­ti­ons­sen­so­ren und Druck­sen­so­ren aus­ge­stat­tet und erfasst die Ober­flä­che des Objek­tes durch Abtas­ten. Über die Sen­so­ren ist es zusätz­lich mög­lich, Tem­pe­ra­tur- und Feuch­tig­keits­da­ten zu erfas­sen. Über die Druck­sen­so­ren kann der auf­ge­brach­te Druck gemes­sen wer­den, um somit die Stär­ke der Kor­rek­tur mess­bar zu machen. Eine ers­te Ver­öf­fent­li­chung hat gezeigt, dass der Fuß in einer kor­ri­gier­ten Posi­ti­on erfasst wer­den kann. Die bis­he­ri­ge Genau­ig­keit ist aller­dings noch nicht ver­gleich­bar mit her­kömm­li­chen Scan­tech­no­lo­gien. Eine Markt­ein­füh­rung ist für Ende 2023 geplant. Die­se Art der Abform­tech­nik kommt dem klas­si­schen Maß­neh­men sehr nah und kann zusätz­lich das Erler­nen der Abform­tech­ni­ken unter­stüt­zen, in dem der auf­ge­brach­te Druck sicht­bar gemacht wer­den kann ¹⁹.

Scan­pro­zess

Für einen guten Scan ist ein opti­ma­ler Scan­vor­gang wich­tig. Um hier­bei mög­lichst effek­tiv zu sein, müs­sen im Scan­pro­zess u. a.  nach­fol­gen­de Aspek­te beach­tet werden.

Kali­brie­rung

Abhän­gig davon, wel­cher Scan­ner genutzt wird, ist vor dem Scan­vor­gang eine Kali­brie­rung not­wen­dig. Dies funk­tio­niert bei einem Voll­fuß­scan­ner auto­ma­tisch, muss beim Scan­nen mit dem iPad jedoch vom Nut­zer durch­ge­führt werden.

Scan­um­ge­bung

Eine opti­ma­le Aus­leuch­tung ist wich­tig und ein eher dif­fu­ses Licht emp­feh­lens­wert, beson­ders bei der Ver­wen­dung eines Struk­tur­licht-Ver­fah­rens. Bei der Erfas­sung von RGB-Daten (Far­be) muss die Scan­um­ge­bung eben­falls hell genug sein. Es soll­te kei­nen Schat­ten­wurf und kei­ne Reflek­tio­nen geben, der Unter­grund ein­far­big sein und im Kon­trast zur Far­be des gescann­ten Objek­tes stehen.

Beson­ders bei hand­ge­führ­ten oder mobi­len Scan­nern muss auf eine dau­er­haft aus­rei­chen­de Bewe­gungs­frei­heit geach­tet wer­den, damit das zu scan­nen­de Objekt voll­stän­dig erfasst wer­den kann. Zusätz­lich soll­te der direk­te Scan­be­reich frei von Stö­run­gen wie Tisch­bei­nen, Stüh­len oder nicht zu scan­nen­den Kör­per­tei­len sein, da die­se zu Arte­fak­ten füh­ren, die in der Nach­be­ar­bei­tung meist auf­wen­dig ent­fernt wer­den müssen.

Scan­vor­gang

Unab­hän­gig davon, mit wel­chem Sys­tem gear­bei­tet wird, ist ein gleich­mä­ßi­ger Scan­vor­gang ent­schei­dend. So muss der Scan­ab­stand bei einem hand­ge­führ­ten Sys­tem mög­lichst gleich gehal­ten wer­den bzw. nur wie von der Scan­soft­ware gefor­dert ver­än­dert wer­den, damit Unge­nau­ig­kei­ten mini­miert werden.

Die Aus­rich­tung und Posi­tio­nie­rung der zu scan­nen­den Glied­ma­ße soll der ange­streb­ten Ver­sor­gungs­stel­lung nahe­kom­men. Hier zeigt sich ein ent­schei­den­der Nach­teil des 3D-Scans. Bei den meis­ten Scans sind Kor­rek­tur­mög­lich­kei­ten nur schwer mög­lich ²⁰. Weich­teil­ver­schie­bun­gen und Kor­rek­tur­maß­nah­men kön­nen mit einem Gips­ab­druck immer noch bes­ser erar­bei­tet und abge­lei­tet wer­den^{21 22}. Die Zukunft muss zei­gen, ob die­se Eigen­schaf­ten über wei­te­re Technologie(n) abge­bil­det wer­den kön­nen²³. Eine Chan­ce stellt hier der oben beschrie­ben Scan­hand­schuh dar. Die heu­te schon zur Ver­fü­gung ste­hen­den Kor­rek­tur­mög­lich­kei­ten, wie z. B. eine Scan­schie­ne, kön­nen genutzt werden.

Die Mar­kie­rung pro­mi­nen­ter Stel­len kann die Güte des Scans und gera­de die wei­te­re Nutz­bar­keit posi­tiv beein­flus­sen. Mess­punk­te für z. B. Umfang­ma­ße kön­nen leicht bestimmt wer­den und die­se Mar­kie­run­gen, wel­che im Scan eben­falls abge­bil­det sind, für die anschlie­ßen­de Kor­rek­tur des Scans hilf­reich sein²⁴.

Gene­rell gilt: Ist der Scan bei der Über­prü­fung nicht opti­mal, soll­te der Scan­vor­gang wie­der­holt wer­den. Es ist ent­schei­dend, dass der Scan kei­ne Löcher hat, dass das gesam­te zu scan­nen­de Objekt also lücken­los abge­bil­det ist. Bei allen Scan­nern am Markt erzeugt der Scan­vor­gang selbst kei­ne wei­te­ren Kos­ten. Erst im wei­te­ren Bear­bei­tungs­pro­zess kön­nen je nach Anbie­ter Kos­ten entstehen.

Die hier auf­ge­führ­ten Punk­te sind für das erfolg­rei­che Scan­nen ohne Fra­ge sehr rele­vant, die Lis­te jedoch kei­nes­wegs voll­stän­dig. „Möch­te man es etwas pathe­tisch aus­drü­cken, könn­te man sagen, 3D-Scan­nen ist eine Kunst, genau wie das Gip­sen oder das Ver­mes­sen mit dem Maß­band und Feh­ler bei die­sem wich­ti­gen Arbeits­schritt sind nur mit gro­ßem Auf­wand wie­der zu kor­ri­gie­ren. Wer aber das Scan­nen beherrscht, wird mit erstaun­li­cher Fer­ti­gungs­ge­schwin­dig­kei­ten und einer bis­her unvor­stell­ba­ren Pass­form belohnt.“²⁵

Pra­xis­exkurs

In die­sem Zusam­men­hang drängt sich die auch in der klas­si­schen Ver­sor­gung rele­van­te Fra­ge­stel­lung auf, unter wel­chem Belas­tungs­zu­stand ein Scan erfol­gen soll­te. Gemäß ISO 7250 soll für die Erfas­sung von anthro­po­me­tri­schen Daten im Bereich des Fußes die Mes­sung im Ste­hen mit 50 % Gewicht auf jedem Fuß durch­ge­führt wer­den²⁶. Es gibt aller­dings kei­ne Evi­denz, wel­ches Level das Bes­te ist, um Schu­he oder Ein­la­gen anhand der Daten zu gestal­ten²⁷. Wenn der Fuß belas­tet wird, kommt es zu eini­gen anthro­po­me­tri­schen Ände­run­gen am Fuß. Die Unter­schie­de in der Län­ge und Brei­te des Fußes sind grö­ßer zwi­schen unbe­las­te­ten und teil­be­las­te­ten Scans (50 %) als zwi­schen teil- und voll­be­las­te­ten. Ein erhöh­tes Gewicht auf den Füßen erhöht die Kon­takt­flä­che, Fuß­län­ge, Fuß­brei­te, Fer­sen­brei­te und ver­rin­gert die gemit­tel­te Höhe, Längs­ge­wöl­be­hö­he und den Längs­ge­wöl­be­win­kel^{28 29}.

In einem prak­ti­schen Ver­such stell­te sich dies wie folgt dar:

Im Bei­spiel (Abb. 7) sehen wir einen Fuß mit 300 mm Län­ge. Nicht belas­tet wird hell­blau, teil­be­las­tet in mit­tel­blau und voll­be­las­tet dun­kel­blau gefärbt dar­ge­stellt. Der Fuß ver­län­gert sich unter Last um ca. 5 mm, das Gewöl­be sinkt in der Mit­te um eben­falls 5 mm ab. Die Last auf die Fuß­soh­le ver­drängt die Pols­ter unter der Fuß­soh­le in den Außen­be­reich des Fußes und erzeugt hier eine stär­ke­re Krüm­mung, die in einer abge­flach­ten Soh­le mün­det. Die Bil­der und Schnit­te der unter­schied­li­chen Last­zu­stän­de des gesun­den Fußes zei­gen eine rela­tiv gerin­ge Abwei­chung bei ver­schie­de­nen Belas­tun­gen. Die ent­ste­hen­den Geo­me­trie­ver­än­de­run­gen durch Belas­tun­gen sind wenig über­ra­schend und quan­ti­fi­zier­bar. Mit etwas Übung soll­te ein unbe­las­te­ter Fuß somit digi­tal belas­tet wer­den kön­nen und umge­kehrt³⁰.

Scan­nach­be­ar­bei­tung

Nach dem Scan und vor der eigent­li­chen Kon­struk­ti­on im CAD-Pro­gramm bedarf es häu­fig eines oder meh­re­rer Zwi­schen­schrit­te. Feh­ler im Scan kön­nen dadurch beho­ben oder gege­be­nen­falls zwei Scans zusam­men­ge­setzt wer­den. Auch sind nach­träg­li­che Kor­rek­tu­ren hin­sicht­lich der Stel­lung oder ana­to­mi­scher For­men (z. B. Fer­sen­wöl­bung) möglich.

Scan­re­pa­ra­tur

Die Nach­be­ar­bei­tung eines Scans kann ent­we­der in der bevor­zug­ten CAD-Soft­ware oder z. B. mit dem frei­ver­füg­ba­ren Pro­gramm „Mesh­mi­xer“ erfol­gen. Die Nach­be­ar­bei­tung besteht häu­fig aus einer Glät­tung, also der Redu­zie­rung der Auf­lö­sung und Repa­ra­tur eines nicht opti­ma­len „Mes­hes“ (Netz). Es ist aus prak­ti­scher Sicht nicht nötig, genau­er zu arbei­ten als in der ana­lo­gen Fer­ti­gung. Erfah­rungs­ge­mäß reicht für die Belan­ge der Bran­che eine Auf­lö­sung von 1 mm Tole­ranz. Die gerin­ge­re Auf­lö­sung ist wegen der glat­te­ren Ober­flä­chen und der gerin­ge­ren Datei­grö­ße für die wei­te­re Bear­bei­tung sogar sinnvoll.

Zusam­men­set­zen zwei­er Scans

Aus zwei Scans eine Datei zu erstel­len, bedarf eini­ger Übung bzw. idea­ler­wei­se der Unter­stüt­zung durch Soft­ware. Häu­fig wird das 3D-Objekt als Mesh dar­ge­stellt. Für ein per­fek­tes, ein soge­nann­tes „Den­se Mesh“ müs­sen alle Kno­ten­punk­te des einen „Net­zes“ mit dem jewei­li­gen Kno­ten­punkt des ande­ren „Net­zes“ ver­bun­den wer­den. Dafür müs­sen die Abstän­de und die Ori­en­tie­rung der Scans zuein­an­der per­fekt sein. Nur so las­sen sich maß­hal­ti­ge Ergeb­nis­se erzie­len. Die resul­tie­ren­den Über­gän­ge müs­sen idea­ler­wei­se glatt und kon­gru­ent (in allen Punk­ten über­ein­stim­mend) sein. Ist dies nicht der Fall, las­sen sich zwei Scans nur schlecht oder gar nicht zusam­men­füh­ren. Unab­hän­gig davon, ob man zwei Gips­hälf­ten oder einen Tritt­schaum und einen Fuß zusam­men­fü­gen möch­te, ist dies nur mit gro­ßem Auf­wand sowie oft nur mit durch­schnitt­li­chen Ergeb­nis­sen mög­lich. Aus öko­no­mi­scher Sicht könn­te es dann Sinn erge­ben, sich einer Scan­ner­soft­ware wie z. B. der von TechMed3D aus Cana­da zu bedie­nen, die das Zusam­men­set­zen zwei­er Scans auto­ma­tisch vor­nimmt, auch wenn die Kos­ten pro Scan bei aktu­ell bei cir­ca 3,75 Euro liegen.

Kor­rek­tu­ren

In allen rele­van­ten CAD-Pro­gram­men sind Nach­be­ar­bei­tun­gen anhand der ana­to­mi­schen Ach­sen mög­lich und kön­nen durch die oben beschrie­be­nen gesetz­ten mar­kan­ten Punk­te erleich­tert wer­den. Dabei han­delt es sich in den meis­ten Fäl­len jedoch um star­re Ach­sen, die ins­be­son­de­re nicht immer der Phy­sio­lo­gie des Fußes ent­spre­chen. Gera­de die Weich­teil­si­tua­ti­on ist nur schwer zu erfas­sen. Kor­rek­tur­mög­lich­kei­ten müs­sen bei dem Maß­nehm­pro­zess bereits erfasst und doku­men­tiert wer­den, um die­se für eine ziel­füh­ren­de Kor­rek­tur in der Soft­ware nut­zen zu können.

Pra­xis­tests

Nur weni­ge Stu­di­en befas­sen sich mit der 3D-Scan unter­stüt­zen Ver­sor­gung. Für die Kon­struk­ti­on von Ein­la­gen wei­sen 3D-Scan­ner eine ver­gleich­ba­re Genau­ig­keit und Wie­der­hol­bar­keit auf, wie tra­di­tio­nel­le Ver­fah­ren³¹. Ver­gleicht man Ein­la­gen, die nach ver­schie­de­nen Maß­neh­men-Ver­fah­ren her­ge­stellt wur­den, so sind deut­li­che Unter­schie­de erkenn­bar³². Es wur­den fol­gen­de Metho­den mit­ein­an­der ver­gli­chen: Gips­ab­druck, Tritt­schaum und 3D-Scan. Dabei wur­de auch die Repro­du­zier­bar­keit ins­be­son­de­re zwi­schen „Hand­wer­kern“ ver­gli­chen. Inner­halb der Stu­die konn­te aller­dings nicht fest­ge­stellt wer­den, wel­ches Ver­fah­ren am geeig­nets­ten ist, da kei­nes der ein­ge­setz­ten Ver­fah­ren eine exzel­len­te Repro­du­zier­bar­keit ins­be­son­de­re zwi­schen den Hand­wer­kern aufwies.

Fazit

Die Nut­zung des 3D-Scans nur um der Nut­zung wegen, ist nicht sinn­voll. Soll eine Ein­la­gen­ver­sor­gung bei­spiels­wei­se mit­tels eines indi­vi­du­ell ange­pass­ten Ein­la­ge­roh­ling erfol­gen, bie­tet der 3D-Scan­ner häu­fig kei­nen Mehr­wert. Hier kön­nen genau­so gut 2D-Scans, eine Pedo­ba­ro­gra­phie oder ein Blau­ab­druck ein­ge­setzt wer­den. Glei­ches gilt für das digi­ta­le Pen­dant zum Ein­la­gen­roh­ling, die CAD-Bibliothekseinlage.

Grund­sätz­lich kön­nen Scan­da­ten genutzt wer­den, um vie­le Berei­che der Ortho­pä­die-Tech­nik bzw. Ortho­pä­die-Schuh­tech­nik abzu­de­cken. Mög­lich ist der Ein­satz bei­spiels­wei­se im Ein­la­gen- und Bet­tungs­bau, für die Erstel­lung von Leis­ten und Pro­be­schu­hen für den Maß­schuh­bau, aber auch in der Kon­struk­ti­on von Orthe­sen und Lage­rungs­schie­nen. Mit den hand­ge­führ­ten und Ganz­kör­per­scan­nern kön­nen zusätz­lich Daten für die Ver­sor­gung ande­rer Kör­per­tei­le gene­riert wer­den. Gewon­ne­ne Maße und Infor­ma­tio­nen aus dem Scan­pro­zess sind nutz­bar für die Doku­men­ta­ti­on oder zur Bestel­lung wei­te­rer Ver­sor­gung­pro­duk­te, wie z. B. Ban­da­gen oder Kompressionsbekleidung.

Für die kon­kre­te Aus­wahl eines Sys­tems sind die genann­ten Kri­te­ri­en Ver­sor­gungs­art, Ein­satz­be­reich, Scan­um­ge­bung, Scan­ob­jekt, Nach­be­ar­bei­tung, Genau­ig­keit und Kos­ten entscheidend.

Dank­sa­gung

Die­ser Arti­kel ist in Zusam­men­ar­beit mit Part­nern des Kom­Zet O.S.T. ent­stan­den, beson­de­rer Dank gilt dabei Herrn OSM Mar­tin Jae­ger. Der Stand­ort Sie­ben­lehn des Kom­Zet O.S.T. steht für even­tu­el­le Fra­gen und Anlie­gen zum The­ma jeder­zeit zur Verfügung.

För­de­rung

Das Kom­Zet O.S.T. wird aus Mit­teln des Lan­des Hes­sen, des Lan­des Sach­sen, des Lan­des Nie­der­sach­sen sowie durch die Bun­des­re­pu­blik Deutsch­land mit Mit­teln des Bun­des­mi­nis­te­ri­ums für Wirt­schaft und Ener­gie gefördert.

Für die Autoren:
Fre­de­ric Großmann
Pro­jekt­ma­na­ger
Kom­Zet O.S.T. Stand­ort Sie­ben­lehn / Meisterschule-Siebenlehn
Lie­bich­stra­ße 4
09603 Groß­schirma
grossmann.komzet@meisterschule-siebenlehn.de

Begut­ach­te­ter Beitrag/reviewed paper

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