Ent­wick­lung eines digi­ta­len Abform­pro­zes­ses auf der Basis eines hap­ti­schen Messsystems

B. Westebbe, C. Reschop, U. Wegener, M. Kraft
Zur Optimierung des Abformprozesses in der Orthopädie-Technik wurde ein haptisches Messsystem entwickelt. Es ermöglicht dem Orthopädie-Techniker, einen Patienten direkt mit instrumentierten Fingern zu vermessen. Ohne weitere Messmittel können auf diese Weise Oberflächen erfasst und subkutane anatomische Strukturen lokalisiert werden. Aus den in einem einheitlichen Bezugssystem dargestellten Daten können die üblichen sowie weitere Parameter für die Schaftgestaltung abgeleitet werden. Durch die an eine herkömmliche Vermessung angelehnte intuitive Anwendung wird die Expertise des Orthopädie-Technikers sinnvoll genutzt. Der entwickelte Abformprozess lässt sich zudem nahtlos in den bisherigen Versorgungsprozess integrieren. Die Genauigkeit der Erfassung wurde in anwendungsnahen Szenarien untersucht.

Ein­lei­tung

Im Hand­werk der Ortho­pä­die-Tech­nik wer­den indi­vi­du­el­le Lösun­gen zur best­mög­li­chen Reha­bi­li­ta­ti­on ent­wi­ckelt. Nach­dem behan­deln­de Ärz­te und Kos­ten­trä­ger ein Hilfs­mit­tel ver­schrie­ben bzw. geneh­migt haben, setzt der Ortho­pä­die-Tech­ni­ker im Ver­sor­gungs­pro­zess mit indi­vi­dua­li­sier­ten Hilfs­mit­teln sein Fach­wis­sen für eine opti­ma­le Ver­sor­gung ein. Neben der fach­li­chen Bera­tung sowie der Anfer­ti­gung und Anpas­sung des Hilfs­mit­tels stellt er einen lang­fris­ti­gen Ansprech­part­ner des Pati­en­ten dar, der die­sem bera­tend und betreu­end zur Sei­te steht.

Bei indi­vi­du­el­len kör­per­na­hen Hilfs­mit­teln ist die vom Ortho­pä­die-Tech­ni­ker durch­ge­führ­te Maß­ab­nah­me ein ent­schei­den­der Schritt für eine adäqua­te Pass­form und damit die Funk­ti­on des Hilfs­mit­tels, des­sen Kom­fort und letzt­end­lich die Pati­en­ten­zu­frie­den­heit. Her­kömm­li­cher­wei­se wer­den dazu ana­lo­ge Mess­mit­tel ver­wen­det; gege­be­nen­falls wird ein Gips­ab­druck ange­fer­tigt. Zur Stei­ge­rung der Genau­ig­keit sowie zur Ver­rin­ge­rung der Pati­en­ten­be­las­tung hal­ten zuneh­mend opti­sche (3D-)Scanner Ein­zug in die Ortho­pä­die-Tech­nik. Für Anwen­dun­gen, bei denen eine Kennt­nis der Lage ana­to­mi­scher Struk­tu­ren unter der Haut not­wen­dig ist, reicht ein opti­scher Scan jedoch nicht aus. Des­halb wur­de ein neu­es Mess­sys­tem für eine instru­men­tier­te hap­ti­sche Erfas­sung von Kör­per­ma­ßen ent­wi­ckelt. Der hier dar­ge­stell­te Pro­to­typ des Sys­tems wur­de für die Maß­ab­nah­me bei der Fer­ti­gung trans­fe­mo­ra­ler Pro­the­sen­schäf­te optimiert.

Stand der Technik

Der Kom­fort einer Bein­pro­the­se wird im Wesent­li­chen durch den Schaft bestimmt. Neben Bau­form und Mate­ria­li­en ist vor allem die indi­vi­du­ell an den Pati­en­ten ange­pass­te Geo­me­trie ent­schei­dend. In der Ver­sor­gungs­pra­xis und in der For­schung gibt es ver­schie­de­ne Ansät­ze zur Abnah­me der Patientenmaße.

In der tra­di­tio­nel­len Tech­nik wer­den mit ein­fa­chen Mess­mit­teln wie Maß­bän­dern und Schie­be­leh­ren Kör­per­ma­ße manu­ell abge­nom­men. Für die Anpas­sung not­wen­di­ge unter der Haut lie­gen­de Struk­tu­ren wie Sitz­bein oder Adduk­to­ren­seh­ne wer­den zuerst ertas­tet. Beim Anle­gen des Mess­werk­zeu­ges wird teil­wei­se die Hil­fe des Pati­en­ten benö­tigt, um die zuvor loka­li­sier­ten Struk­tu­ren kor­rekt zu ver­mes­sen. Zur Erfas­sung der äuße­ren Stumpf­geo­me­trie wird zusätz­lich mit Gips­ban­da­gen ein Abdruck vom Stumpf ange­fer­tigt. Durch Aus­gie­ßen des Abdrucks mit Gips wird ein Posi­tiv­mo­dell erstellt, das durch manu­el­le Bear­bei­tung in die Zweck­form des spä­te­ren Schaf­tes umge­wan­delt wird. Der Schaft wird anschlie­ßend durch Tief­zie­hen auf dem Modell erstellt. Die Maß­ab­nah­me mit ana­lo­gen Mess­mit­teln hat aller­dings nur eine begrenz­te Genau­ig­keit; abhän­gig vom ver­mes­sen­den Tech­ni­ker kön­nen die Maße schwan­ken. Des­halb wird die anschlie­ßen­de Fer­ti­gung übli­cher­wei­se auch von Letz­te­rem durchgeführt.

Ein eben­falls in der Pra­xis eta­blier­ter Pro­zess ist die Ser­vice­fer­ti­gung. Nach der Erfas­sung der vom Her­stel­ler vor­ge­ge­be­nen Maße durch den ­­Ortho­pä­die-Tech­ni­ker wird der Schaft durch digi­ta­les Ska­lie­ren von Stan­dard­mo­del­len gefer­tigt. Die Maßer­fas­sung kann – wie bei der tra­di­tio­nel­len Tech­nik – mit ana­lo­gen Mess­mit­teln erfol­gen; der Gips­ab­druck wird im All­ge­mei­nen durch ein­fa­che Umfangs­ma­ße ersetzt. Zuneh­mend hält der opti­sche Scan als Abfor­mungs­tech­nik Ein­zug. Mit die­sem Ver­fah­ren kön­nen die äuße­re Stumpf­geo­me­trie und die Ober­flä­chen­be­schaf­fen­heit erfasst wer­den. Dies kann bei­spiels­wei­se bei einer trans­ti­bia­len Ver­sor­gung aus­rei­chend sein – hier kön­nen sogar weni­ge Fotos eines Stump­fes genü­gen 1. Im Fall einer trans­fe­mo­ra­len Ver­sor­gung sind jedoch Infor­ma­tio­nen über tie­fer­lie­gen­de ana­to­mi­sche Struk­tu­ren wie Sitz­bein­la­ge oder Ramus­win­kel erforderlich.

Des­halb exis­tie­ren Ansät­ze, den opti­schen Scan mit ande­ren Mess­me­tho­den zu ergän­zen. Die Fir­ma Poh­lig stellt eine Kom­bi­na­ti­on aus opti­schem Scan und Ultra­schall vor 2, wäh­rend Colom­bo et al. 3 ein Ver­fah­ren auf­zei­gen, in dem ein opti­scher Scan mit Magnet-reso­nanz­to­mo­gra­fie (MRT) und Com­pu­ter­to­mo­gra­fie (CT) gekop­pelt wird. Der Ein­satz die­ser Ver­fah­ren macht aller­dings spe­zi­ell geschul­tes medi­zi­ni­sches Per­so­nal erfor­der­lich; MRT und CT sind zudem äußerst kostspielig.

Anfor­de­run­gen an das neue Messsystem

Gesprä­che mit Ortho­pä­die-Tech­ni­kern sowie Beob­ach­tun­gen der Abfor­mung und Maß­ab­nah­me von Ober­schen­kel­stümp­fen zeig­ten die Unzu­läng­lich­kei­ten aktu­el­ler Vor­ge­hens­wei­sen auf. Nut­zer­zen­triert wur­de nach einer Mög­lich­keit gesucht, die Exper­ti­se des Ortho­pä­die-Tech­ni­kers zu nut­zen und ihn in sei­ner Tätig­keit zu unter­stüt­zen. Des­halb wur­de ein neu­es Mess­sys­tem für eine instru­men­tier­te hap­ti­sche Erfas­sung von Kör­per­ma­ßen ent­wi­ckelt, das direkt in den bestehen­den Ver­sor­gungs­pro­zess inte­griert wer­den kann. Im Fol­gen­den wird der Begriff „instru­men­tiert hap­tisch“ ver­ein­fa­chend zu „hap­tisch“ abgekürzt.

Zur Erfas­sung der Ober­flä­chen- und Posi­ti­ons­da­ten tie­fer­lie­gen­der Struk­tu­ren soll­te die Mes­sung so ver­ein­facht wer­den, dass sie von einem ein­zel­nen Anwen­der ohne Mit­hil­fe des Pati­en­ten durch­führ­bar ist. Hier­bei wird der qua­li­fi­zier­te Spe­zia­list nut­zer­zen­triert und pro­zess­ori­en­tiert tech­no­lo­gisch unter­stützt, sodass die Mess­wer­te – ohne Nut­zung wei­te­rer Werk­zeu­ge – in einem Bezugs­sys­tem dar­ge­stellt und doku­men­tiert wer­den kön­nen. Die Wer­te ste­hen dann für die Doku­men­ta­ti­on und Fer­ti­gung der Hilfs­mit­tel zur Ver­fü­gung. Zusätz­lich wur­de ange­strebt, eine objek­ti­ve Mög­lich­keit der Gewe­be­zu­stands­be­ur­tei­lung zu inte­grie­ren. Zur Erfül­lung die­ser Anfor­de­run­gen wur­de das hap­ti­sche Mess­sys­tem auf­ge­baut und eine pro­to­ty­pi­sche Soft­ware implementiert.

Mess­tech­nik

Das Mess­sys­tem des hap­ti­schen Scan­ners (Abb. 1) basiert auf der Tech­nik elek­tro­ma­gne­ti­scher Tracking­sys­te­me, wie sie in der Chir­ur­gie zur intra­operativen Navi­ga­ti­on ver­wen­det wer­den. Herz­stück ist ein elek­tro­ma­gne­ti­scher Feld­ge­ne­ra­tor. Inner­halb die­ses limi­tier­ten Mess­vo­lu­mens kön­nen über die her­vor­ge­ru­fe­ne Induk­ti­on Posi­ti­on und Ori­en­tie­rung klei­ner Sen­sor­spu­len ermit­telt wer­den. Ver­wen­det wird das Sys­tem „Auro­ra“ der Fir­ma Nor-thern Digi­tal. Das Mess­vo­lu­men beträgt ca. 50 × 50 × 50 cm; die ver­wen­de­ten Sen­sor­spu­len haben eine Grö­ße von 0,8 × 11 mm. Eine ein­zel­ne Spu­le misst die Posi­ti­on und die Ori­en­tie­rung der Sen­sor­ach­se (5DoF-Sen­sor; DoF = „Degrees of Free­dom“). Um den letz­ten Frei­heits­grad – die Rota­ti­on um die Sen­sor­ach­se – zu ermit­teln, wer­den zwei Spu­len kom­bi­niert (6DoF-Sen­sor). Das aktu­ell ver­wen­de­te Sys­tem erlaubt den Anschluss von bis zu 24 5DoF- bzw. 12 6DoF-Sensoren.

Mess­sen­so­ren

Das Sys­tem selbst besitzt kei­ne hap­ti­schen Sen­so­ren; statt­des­sen wird durch die Instru­men­tie­rung der Hän­de des Anwen­ders des­sen Tast­sinn genutzt. Zu die­sem Zweck wur­den in meh­re­ren Ite­ra­ti­ons­schrit­ten instru­men­tier­te Fin-ger­lin­ge ent­wi­ckelt. Durch Ver­wen­dung ein­zel­ner Fin­ger­lin­ge anstel­le eines voll instru­men­tier­ten Hand­schuhs ist das Sys­tem sehr fle­xi­bel in der Anpas­sung an ver­schie­de­ne Hand­grö­ßen und Fin­ger­durch­mes­ser. Die Fin­ger­lin­ge bestehen aus Sili­kon, um eine leich­te Rei­ni­gung zu ermög­li­chen. Die Sen­so­ren sind oben auf den Fin­gern posi­tio­niert (Abb. 1). Durch die­se Bau­form sind die Fin­ger­lin­ge robust, und der Tast­sinn wird wenig beein­flusst. Da 6DoF-Sen­so­ren ver­wen­det wer­den, kann ein belie­bi­ger Mess­punkt auf dem Fin­ger kali­briert wer­den. Der intui­ti­ve Mess­punkt befin­det sich auf der Unter­sei­te des dista­len Fin­ger­glieds. Die Kali­brie­rung wird unter Last durch­ge­führt, um die Defor­mie­rung des Fin­gers im Anwen­dungs­fall zu simulieren.

Refe­renz­sen­so­ren

Neben den Mess­sen­so­ren an den Fin­gern wer­den zusätz­lich Refe­renz­sen­so­ren am Pati­en­ten benö­tigt, um Pati­en­ten­be­we­gun­gen wäh­rend der Mes­sung mathe­ma­tisch eli­mi­nie­ren zu kön­nen. Dazu wird ein 6DoF-Sen­sor im Sakral­be­reich am Becken ange­kop­pelt. Am Ober­schen­kel ist eine posi­ti­ons­sta­bi­le Anbrin­gung eines Sen­sors auf­grund der Weich­teil­de­ckung schwie­rig, sodass aus einer Viel­zahl prin­zi­pi­ell red­un­dan­ter Sen­so­ren ein sta­bi­les vir­tu­el­les Refe­renz­sys­tem berech­net wird. Sechs 5DoF-Sen­so­ren wer­den dabei belie­big auf der Stumpf­ober­flä­che ver­teilt und gestör­te bzw. mecha­nisch ver­scho­be­ne Sen­so­ren auto­ma­tisch aus der Berech­nung ausgeschlossen.

Soft­ware

Die Soft­ware lei­tet nut­zer­zen­triert durch den Abform­pro­zess. Erfah­re­ne Ortho­pä­die-Tech­ni­ker kön­nen ihre gewohn­te Vor­ge­hens­wei­se nach­bil­den; uner­fah­re­ne Anwen­der kön­nen mit ein­ge­pfleg­ten Infor­ma­tio­nen und Anwei­sun­gen unter­stützt wer­den. Die Soft­ware bie­tet neben der auto­ma­ti­schen Doku­men­ta­ti­on der Mess­wer­te auch den Vor­teil der Qua­li­täts­si­che­rung durch einen doku­men­tier­ten Ablauf der Mes­sung. Zu Beginn jeder Mess­rei­he wird ein Pati­en­ten­ko­or­di­na­ten­sys­tem fest­ge­legt und die zu ver­mes­sen­den Kör­per­tei­le zuein­an­der aus­ge­rich­tet. Alle wei­te­ren Mess­da­ten wer­den danach im Pati­en­ten­ko­or­di­na­ten­sys­tem im aus­ge­rich­te­ten Zustand dar­ge­stellt. Die Auf­zeich­nung sowohl ein­zel­ner Punk­te als auch von Punk­te­wol­ken ist mög­lich. Die Mess­da­ten wer­den ent­spre­chend dem aus­ge­wähl­ten Abform­pro­to­koll ver­ar­bei­tet. Neben der visu­el­len Dar­stel­lung der Mess­da­ten und berech­ne­ten Objek­te (z. B. Punk­te, Ober­flä­chen oder Kör­per­ach­sen) wer­den alle gewünsch­ten Para­me­ter (z. B. Abstän­de, Win­kel) ausgegeben.

Über­prü­fung des Messsystems

Theo­re­ti­sche Genau­ig­keit und Störeinflüsse

Die theo­re­ti­sche Genau­ig­keit des Auro­ra-Sys­tems liegt im Sub­mil­li­me­ter­be­reich. Der Her­stel­ler gibt für 6DoF-Sen­so­ren eine Posi­ti­ons­ge­nau­ig­keit von 0,48 ± 0,88 mm und eine Ori­en­tie­rungs­ge­nau­ig­keit von 0,3 ± 0,48° an 4. Für die Fin­ger­lin­ge wird nicht der sen­sor­ei­ge­ne Mess­punkt, son­dern ein kali­brier­ter Punkt auf dem Fin­ger­ling ver­wen­det, der wäh­rend einer Mes­sung mit Hil­fe der aktu­ell erfass­ten Ori­en­tie­rung und eines sta­ti­schen Kali­brier­vek­tors in Echt­zeit berech­net wird. Dadurch gehen sowohl Posi­ti­ons- als auch Ori­en­tie­rungs­mess­feh­ler in die Abso­lut­po­si­ti­on des Mess­punk­tes ein. Bei der Umrech­nung in pati­en­ten­be­zo­ge­ne Daten mit Hil­fe der Refe­renz­sen­so­ren beein­flus­sen auch Mess­feh­ler der Refe­renz­sen­so­ren die Gesamt­ge­nau­ig­keit. In der Anwen­dungs­pra­xis gibt es wei­te­re Stör­ein­flüs­se, bei­spiels­wei­se von peri­phe­ren Gerä­ten ver­ur­sach­te elek­tromagnetische Stör­fel­der und fer­ro­ma­gne­ti­sche Mate­ria­li­en im Mess­feld 5. Einen gro­ßen Ein­fluss auf die Genau­ig­keit hat der Abstand der Sen­so­ren zum Feld­ge­ne­ra­tor durch die nied­ri­ge­re Feld­stär­ke im äuße­ren Mess­be­reich. Die erreich­ba­re Genau­ig­keit des hap­ti­schen Scan­ners kann auch durch die Fähig­keit des Benut­zers, den Mess­punkt auf dem Fin­ger­ling repro­du­zier­bar zu tref­fen, sowie durch die Ver­for­mung des Fin­gers bei der Mes­sung beein­flusst wer­den. Inwie­weit sich die­se Ein­flüs­se in einer für die Anwen­dung rele­van­ten Grö­ßen­ord­nung aus­wir­ken, wur­de mit nach­fol­gend beschrie­be­nen Genau­ig­keits­un­ter­su­chun­gen ermittelt.

Genau­ig­keit in der Anwen­dung: Punktvermessung

Die Unter­su­chung der Repro­du­zier­bar­keit und der Genau­ig­keit der Erfas­sung von Mess­punk­ten fand unter Ver­wen­dung eines Mess­bret­tes mit acht ver­schie­de­nen Mess­ob­jek­ten statt (Abb. 2). Die Objek­te sind unter­schied­lich stark aus­ge­präg­te run­de oder spit­ze Erhe­bun­gen sowie Sen­ken. Für die Mes­sun­gen wur­de mit­tig auf dem Brett ein Refe­renz­sen­sor befes­tigt, um eine Bewe­gung des Mess­bret­tes zu erlau­ben und zusätz­lich in der Daten­auf­be­rei­tung dem Anwen­dungs­fall zu ent­spre­chen. Das Mess­brett lag bei allen Mes­sun­gen eben auf einem Tisch in gerin­gem Abstand zum dar­un­ter posi­tio­nier­ten Feldgenerator.

Im ers­ten Schritt wur­den die exak­ten Posi­tio­nen der Mess­ob­jek­te mit einem Instru­ment mit prä­zi­ser Mess­spit­ze (Poin­ter, Abb. 2) ermit­telt, um die­se spä­ter als Bezugs­wer­te zu nut­zen. Anschlie­ßend wur­de das Mess­brett mit einer 2 cm dicken Schaum­stoff­schicht abge­deckt und durch neun Pro­ban­den mit instru­men­tier­tem Zei­ge­fin­ger hap­tisch ver­mes­sen. Sowohl die ­Poin­ter-Mes­sun­gen als auch die hap­ti­schen Mes­sun­gen wur­den jeweils fünf­mal wie­der­holt. Die Mess­ergeb­nis­se sind Grund­la­ge für die Berech­nung der opti­ma­len Kali­brier­vek­to­ren. Die­se erlau­ben eine Umrech­nung von Sen­sor- auf Mess­po­si­ti­on. Aus den Mes­sun­gen las­sen sich die indi­vi­du­el­le Wie­der­hol­ge­nau­ig­keit und die abso­lut erreich­ba­re Genau­ig­keit in der Hori­zon­tal­ebe­ne ermit­teln. Die Ergeb­nis­se sind in Tabel­le 1 dar­ge­stellt. In Anbe­tracht der ein­gangs beschrie­be­nen vie­len Ein­fluss­fak­to­ren und viel­fäl­ti­gen Feh­ler­mög­lich­kei­ten ist die Wie­der­hol­ge­nau­ig­keit der hap­ti­schen Mes­sun­gen sehr gut. Sie unter­schei­det sich im Mit­tel­wert um weni­ger als einen Mil­li­me­ter von der als opti­mal ange­nom­me­nen Mes­sung mit dem Poin­ter. Dies zeigt, dass ein Anwen­der mit instru­men­tier­tem Fin­ger­ling in der Lage ist, ein und den­sel­ben Punkt repro­du­zier­bar zu tref­fen. Die gerin­ge Streu­ung des hori­zon­ta­len Mess­feh­lers zeigt zudem einen gerin­gen Ein­fluss der Geo­me­trie der Messobjekte.

Zur Bewer­tung der Mess­ge­nau­ig­keit wur­de die mit dem hap­ti­schen Scan erreich­te Genau­ig­keit mit der einer ana­lo­gen Mess­me­tho­de ver­gli­chen. Da mit her­kömm­li­chen Metho­den abso­lu­te Posi­tio­nen nur schwer bestimm­bar sind, wur­den dazu die Abstän­de zwi­schen den Objek­ten ver­wen­det. Die­se wur­den einer­seits aus den mit dem hap­ti­schen Scan ermit­tel­ten Posi­tio­nen errech­net, ande­rer­seits von neun Pro­ban­den (eben­falls jeweils fünf­mal) mit Hil­fe eines Mess­schie­bers mit digi­ta­ler Anzei­ge aus­ge­mes­sen. Auch hier waren die Mess­ob­jek­te unter der Schaum­stoff­schicht ver­bor­gen und muss­ten von den Pro­ban­den zunächst ertas­tet wer­den. Die jeweils ermit­tel­ten Abstän­de wur­den anschlie­ßend zu den errech­ne­ten Abstän­den aus den Poin­ter-­Re­fe­renz­mes­sun­gen in Bezug gesetzt. Die Ergeb­nis­se (Abb. 3) zei­gen, dass sich mit einem hap­ti­schen Scan signi­fi­kant höhe­re Genau­ig­kei­ten errei­chen las­sen als mit der her­kömm­li­chen Mess­me­tho­de. Dar­über hin­aus erge­ben sich für das auf­wen­di­ge­re ana­lo­ge Mess­ver­fah­ren – durch mehr Arbeits­schrit­te und einen erhöh­ten Doku­men­ta­ti­ons­auf­wand – auch deut­lich län­ge­re Zei­ten zur Bestim­mung der Abstände.

Genau­ig­keit in der Anwen­dung: Oberflächenvermessung

Auch wenn der Schwer­punkt der Anwen­dung des hap­ti­schen Scans in der Erfas­sung von Posi­ti­ons­da­ten tie­fer­lie­gen­der Struk­tu­ren besteht, wur­de auch die Erfas­sung von Ober­flä­chen erprobt, um gege­be­nen­falls auf eine zusätz­li­che Inves­ti­ti­on in opti­sche Scan­tech­nik ver­zich­ten zu kön­nen. Inner­halb einer Stu­die zur Anwen­dungs­be­ur­tei­lung des Sys­tems führ­ten fünf erfah­re­ne Ortho­pä­die-Tech­ni­ker ins­ge­samt zehn hap­ti­sche Ober­flä­chen­scans eines Bein­phan­toms aus Weich­schaum durch. Sie erhiel­ten dabei vor den Mes­sun­gen eine kur­ze tech­ni­sche Ein­wei­sung; es gab jedoch kein Anwen­dungs­trai­ning. Bei der Erfas­sung der Stumpf­ober­flä­che wur­de die­se ent­spre­chend der Vor­ga­be des Pro­gramm­ab­laufs sys­te­ma­tisch in fünf Seg­men­te ein­ge­teilt, sodass alle Berei­che des Stump­fes gescannt wurden.

Die gemes­se­nen Punk­te­wol­ken wer­den durch Vor­ver­ar­bei­tung der Mess­da­ten mit einem selbst­ent­wi­ckel­ten Punk­te­fil­ter in eine robus­te Ober­flä­chen­re­kon­struk­ti­on gewan­delt. Zur Beur­tei­lung der Genau­ig­keit der rekon­stru­ier­ten Ober­flä­chen wur­den die zehn hap­ti­schen Scans mit einem opti­schen Scan des Bein­phan­toms ver­gli­chen. Es wur­den dabei die Para­me­ter Volu­men und Ober­flä­che sowie die mitt­le­re und maxi­ma­le Ober­flä­chen­di­stanz in Bezug auf den Refe­renz­scan aus­ge­wer­tet (Tab. 2).

Die Para­me­ter Volu­men und Ober­flä­che, die für die Fer­ti­gung eines Schaf­tes sehr wich­tig sind, wer­den mit hoher Genau­ig­keit repro­du­zier­bar erreicht. Die Ana­ly­se der Ober­flä­chen­di­stanz zeigt, dass die Scans zwar über­wie­gend eine sehr gro­ße Kon­gru­enz auf­wei­sen, dass es jedoch lokal deut­li­che Abwei­chun­gen geben kann. Die­se loka­len Abwei­chun­gen tre­ten beson­ders in Berei­chen star­ker Umfangs­än­de­run­gen auf. Bei­spiels­wei­se kön­nen im Über­gang vom Ober­schen­kel zum Po Abwei­chun­gen von bis zu 10 mm ent­ste­hen (Abb. 4). Ver­ur­sacht wer­den die Abwei­chun­gen durch die Fil­te­rung der Punk­te­wol­ke, die zumeist eine star­ke Streu­ung auf­weist. Dies kann durch ein mehr­fa­ches Abtas­ten eines Bereichs mit unter­schied­lich star­kem Druck ver­ur­sacht wer­den. Außer­dem kön­nen Mess­feh­ler ent­ste­hen, wenn die Fin­ger beim Scan den Kon­takt zur Ober­flä­che verlieren.

Es lässt sich jedoch fest­hal­ten, dass der hap­ti­sche Ober­flä­chen­scan deut­lich mehr Infor­ma­tio­nen als dis­kre­te Umfangs­mes­sun­gen bie­tet. Die hohe Genau­ig­keit der ermit­tel­ten Volu­mi­na legt die Ver­mu­tung nahe, dass der Scan in sei­ner Genau­ig­keit rei­nen Umfangs­mes­sun­gen min­des­tens eben­bür­tig ist. Eine auto­ma­ti­sche Erfas­sung fei­ner Ober­flä­chen­de­tails (wie beim opti­schen Scan mög­lich) ist mit dem hap­ti­schen Mess­sys­tem nicht umsetz­bar. Dafür kön­nen Berei­che auf dem Stumpf mar­kiert wer­den, wenn dort zum Bei­spiel auf Nar­ben­ge­we­be Rück­sicht genom­men wer­den muss.

Optio­na­le Erwei­te­run­gen für das System

Opti­scher Scan

Die zuvor beschrie­be­ne hap­ti­sche Ober­flä­chen­ver­mes­sung weist bestimm­te Defi­zi­te auf. Die­se bestehen einer­seits im Zeit­auf­wand und ande­rer­seits in der Tat­sa­che, dass die Ober­flä­che „streiche(l)nd“ erfasst wird, was für Pati­en­ten unan­ge­nehm sein kann. Eine schnel­le­re Erfas­sung der Ober­flä­che mit höhe­rer Genau­ig­keit lie­ße sich durch die Erwei­te­rung des Sys­tems um einen opti­schen Scan­ner rea­li­sie­ren. Daher bie­tet die Soft­ware die Mög­lich­keit des Imports eines opti­schen Scans. Ein ­Ortho­pä­die-Tech­ni­ker kann mit etwas Übung inner­halb weni­ger Minu­ten ein Kör­per­teil mit einem in der Hand gehal­te­nen opti­schen Scan­ner erfassen.

Um die benö­tig­te Zeit für die Bild­erfassung wei­ter zu mini­mie­ren und somit den Pati­en­ten­kom­fort zu erhö­hen und gleich­zei­tig die Benut­zung zu ver­ein­fa­chen, wird an einem neu­en Sys­tem der opti­schen Kör­per­er­fas­sung gear­bei­tet (Abb. 5). Basie­rend auf dem Prin­zip der Foto­gram­me­trie wer­den meh­re­re Fotos auf­ge­zeich­net und zu einem digi­ta­len 3D-Modell zusam­men­ge­setzt. Um die künf­ti­gen Sys­tem­kos­ten gering zu hal­ten, wer­den 30 ein­fa­che Raspber­ry-Kame­ras 6 ein­ge­setzt, die um den Pati­en­ten her­um in einem Rah­men ange­bracht sind. Die­se wer­den syn­chron aus­ge­löst, wodurch die Bild­erfas­sung in 1/60 Sekun­de durch­führ­bar ist. Der gro­ße Vor­teil die­ser „Ein-Knopf-Scan­­me­tho­de“ besteht dar­in, dass Auf­nah­men in kur­zen Zeit­ab­stän­den von ver­schie­de­nen Anspan­nungs­si­tua­tio­nen eines Kör­per­teils mög­lich werden.

Die Maß­hal­tig­keit des berech­ne­ten 3D-Modells liegt im Fall kor­rekt kali-brier­ter Kame­ras bei ± 0,5 mm. Es wird wei­ter­hin an der Opti­mie­rung des Sys­tems gear­bei­tet, da auch hier noch leich­te Defi­zi­te bestehen: Aktu­ell ist es noch not­wen­dig, die zu scan­nen­de Ober­flä­che mit einer spe­zi­el­len Tex­tur zu ver­se­hen, um zu einem akzep­ta­blen Scan­er­geb­nis zu gelan­gen. Auch ist nach Daten­er­fas­sung ein manu­el­les Post­pro­ces­sing not­wen­dig, das eini­ge Minu­ten in Anspruch nimmt.

Kraft­mes­sung

Der hap­ti­sche Scan­ner ermög­licht der­zeit kei­ne objek­ti­ve Gewebezustands­beurteilung. Zur Beur­tei­lung des Stumpf­ge­we­bes wur­de des­halb ein Werk­zeug ent­wi­ckelt, das eine ein­ach­si­ge Kraft­mess­do­se mit einem 6DoF-Sen­sor kom­bi­niert. Damit kön­nen stich­pro­ben­ar­tig Kraft-Weg-Dia­gram­me auf­ge­zeich­net und auto­ma­tisch der genau­en Lage auf dem Stumpf zuge­ord­net wer­den. In wel­chem Umfang aus den ein­fa­chen Kraft-Weg-Dia­gram­men auf Gewe­be­ei­gen­schaf­ten geschlos­sen wer­den kann, wird zur­zeit erprobt. Gleich­zei­tig kann das Werk­zeug benutzt wer­den, um ober­fläch­li­che Punk­te auf Weich­ge­we­be mit einem defi­nier­ten Druck zu ver­mes­sen und damit die Repro­du­zier­bar­keit zu erhöhen.

Fazit

Mit dem ent­wi­ckel­ten hap­ti­schen Scan­sys­tem lässt sich ohne Zuhil­fe­nah­me wei­te­rer Mess­mit­tel ein Ober­schen­kel­stumpf umfas­send abfor­men. Das Poten­zi­al des Sys­tems besteht vor allem in der Ver­mes­sung unter der Haut lie­gen­der Struk­tu­ren; es ermög­licht aber auch gro­be Ober­flä­chen­scans und das „Zeich­nen“ auf der Ober­flä­che. Das Scan­sys­tem lie­fert die Mess­da­ten in einem ein­heit­li­chen Bezugs­sys­tem. Die Kennt­nis der abso­lu­ten Posi­tio­nen ana­to­mi­scher Struk­tu­ren stellt einen deut­li­chen Infor­ma­ti­ons­zu­ge­winn gegen­über ein­zeln gemes­se­nen Para­me­tern dar.

Da sich der Pro­zess stark an der Vor­ge­hens­wei­se bei der her­kömm­li­chen Abfor­mung ori­en­tiert, ist das Sys­tem sehr intui­tiv anwend­bar, wie von Ortho­pä­die-Tech­ni­kern in Anwen­dungs­un­ter­su­chun­gen bestä­tigt wur­de. Es ver­spricht einen beschleu­nig­ten Ver­mes­sungs­pro­zess und ver­rin­gert dadurch unter ande­rem die Pati­en­ten­be­las­tung. Eine spe­zi­el­le Schu­lung ist für die Anwen­dung nicht erfor­der­lich; eine bereits vor­han­de­ne Erfah­rung beim Ertas­ten ana­to­mi­scher Struk­tu­ren ist direkt über­trag­bar. Zudem unter­stützt die Soft­ware die Wei­ter­ga­be von Exper­ti­se durch die Mög­lich­keit, eige­ne Abform­pro­to­kol­le zu erstel­len. Die­se doku­men­tie­ren zugleich den Mess­ab­lauf und die­nen der Qualitätssicherung.

Im Gegen­satz zum Ansatz, Schäf­te anhand von MRT-Daten zu gestal­ten, lässt sich der hap­ti­sche Abform­pro­zess in den eta­blier­ten Ver­sor­gungs­pro­zess inte­grie­ren. Zudem ent­ste­hen, abge­se­hen von der Inves­ti­ti­on in die Mess­tech­nik, kei­ne zusätz­li­chen Kos­ten. Auch wenn der aktu­el­le Pro­to­typ soft­ware­sei­tig auf die Anwen­dung in der Stumpf­ab­for­mung opti­miert ist, ist das Sys­tem viel­sei­tig einsetzbar.

Durch die umfas­sen­de Daten­er­fas­sung ermög­licht das Sys­tem, mehr Infor­ma­tio­nen in die Schaft­ge­stal­tung ein­flie­ßen zu las­sen. Um die­se zu nut­zen, muss die im Her­stel­lungs­pro­zess genutz­te Schaft-Design-Soft­ware ange­passt wer­den. Wie sich der Zuge­winn an Infor­ma­tio­nen aus­wirkt und ob die Genau­ig­keit – ins­be­son­de­re der hap­ti­schen Ober­flä­chen-Scans – aus­reicht, kann erst anschlie­ßend unter­sucht werden.

Aktu­ell wird die Anwen­der­soft­ware nut­zer­zen­triert über­ar­bei­tet und um optio­na­le Modu­le erwei­tert. Sofern ein opti­scher Scan­ner bereits vor­han­den ist, kann die­ser zukünf­tig in den Pro­zess ein­ge­bun­den wer­den. Außer­dem wird an der Inte­gra­ti­on einer Kraft­mes­sung gear­bei­tet. Auch ohne die Erwei­te­run­gen stellt das Sys­tem auf­grund der zuvor genann­ten Vor­tei­le einen viel­ver­spre­chen­den Ansatz dar, der hof­fent­lich sei­nen Weg in die Pra­xis fin­den wird.

Finan­zie­rung

Ein Demons­tra­tor des hap­ti­schen Mess­sys­tems ist im ZIM-Pro­jekt „Zweck­DOT“, geför­dert durch das BMWi, ent­stan­den. Die Wei­ter­ent­wick­lung wird aktu­ell im Pro­jekt „ADDcar­bo­ri“ aus Mit­teln des Euro­päi­schen Fonds für regio­na­le Ent­wick­lung (EFRE) gefördert.

Für die Autoren:
Dipl.-Ing. Bet­ti­na Westebbe
Tech­ni­sche Uni­ver­si­tät Berlin
Fach­ge­biet Medizintechnik
Dove­stra­ße 6
10587 Ber­lin
b.westebbe@tu-berlin.de

Begut­ach­te­ter Beitrag/reviewed paper

Zita­ti­on
Wes­teb­be B, Reschop C, Wege­ner U, Kraft M. Ent­wick­lung eines digi­ta­len Abform­pro­zes­ses auf der Basis eines hap­ti­schen Mess­sys­tems. Ortho­pä­die Tech­nik, 2018; 69 (5): 80–85
Wie­der­hol­ge­nau­ig­keit Pointer0,18 ± 0,11 mm
Wie­der­hol­ge­nau­ig­keit Probanden1,11 ± 0,69 mm
Mess­feh­ler1,56 ± 0,81 mm
Tab. 1 Ergeb­nis­se der Genau­ig­keits­un­ter­su­chun­gen am Messbrett.
Ober­flä­che99,44 ± 0,56 %
Volu­men100,12 ± 0,63 %
Mitt­le­re Oberflächendistanz1,98 ± 0,42 mm
Maxi­ma­le Oberflächendistanz9,22 ± 1,55 mm
Tab. 2 Ergeb­nis­se des Ver­gleichs hap­ti­scher Scans mit einem opti­schen Referenzscan.
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