Fall­bei­spiel: 3D-Druck gefer­tig­te Arm­pro­the­se für einen erwach­se­nen Dys­me­lie-Pati­en­ten mit ultra­kur­zem Unterarmstumpf

C. Suhle
Die individuelle Patientenversorgung stellt den Orthopädietechniker immer wieder vor spezifische Herausforderungen. Blickt man auf der Suche nach Lösungen auch einmal in die Vergangenheit, finden sich dort bisweilen interessante Lösungsansätze, die – kombiniert mit modernen Fertigungsmethoden – zu herausragenden Ergebnissen führen können. Am Beispiel einer Armprothesenversorgung wird das Potenzial der Symbiose aus tradiertem Wissen mit aktuellem Know-how aufgezeigt.

Ein­lei­tung

Ein opti­mier­ter Behin­de­rungs­aus­gleich in der pro­the­ti­schen Ver­sor­gung der obe­ren Extre­mi­tät erfor­dert zunächst eine wohl­über­leg­te Ver­sor­gungs­pla­nung auf der Grund­la­ge einer sorg­fäl­ti­gen Pati­en­ten­ana­mne­se unter Berück­sich­ti­gung der spe­zi­fi­schen Bedürf­nis­se des Anwen­ders. Zwei­ter wich­ti­ger Aspekt einer gelun­ge­nen Ver­sor­gung ist sodann die Umset­zung der Pla­nung mit den aktu­ell zur Ver­fü­gung ste­hen­den tech­ni­schen Mög­lich­kei­ten vor dem Hin­ter­grund des hand­werk­li­chen Geschicks des Tech­ni­kers. Erst die Kom­bi­na­ti­on aus tech­ni­schem Wis­sen und manu­el­len Fer­tig­kei­ten ermög­licht es, für den Pati­en­ten einen Zuge­winn an Funk­ti­on und Kom­fort zu verwirklichen.

Vor­stel­lung des Patienten

Der zu ver­sor­gen­de 35-jäh­ri­ge Pati­ent stell­te sich mit einer ange­bo­re­nen Fehl­bil­dung (Dys­me­lie) der lin­ken obe­ren Extre­mi­tät vor, die sich in einem um ca. 7 cm ver­kürz­ten Ober­arm und einem nur ca. 12 cm lan­gen Unter­arm äußert. Die Hand fehlt gänz­lich. Der Bewe­gungs­um­fang im Ellen­bo­gen­ge­lenk liegt bei 0/90/125 (Abb. 1a u. b). Der Pati­ent wur­de seit dem 3. Lebens­jahr mit Habi­tus-Pro­the­sen und seit dem 12. Lebens­jahr mit myo­elek­tri­schen Arm­pro­the­sen ver­sorgt. Bestand somit anfangs das Ziel der Ver­sor­gung aus­schließ­lich dar­in, einen Aus­gleich des phy­sio­lo­gi­schen Erschei­nungs­bil­des zu schaf­fen, stand spä­ter – mit der myo­elek­tri­schen Ver­sor­gung – der Wunsch des Grei­fens im Vor­der­grund. Die bis­he­ri­ge Ver­sor­gung besteht dabei aus einem Unter­arm­pro­the­sen­teil, das mit dem Unter­arm­stumpf eine Ein­heit bil­det, sowie einer Myo-Hand mit einer an seit­li­chen Schie­nen ver­bun­de­nen Ober­hül­se, in der die bei­den Sen­so­ren für die Ansteue­rung inte­griert sind. Die Kabel der Sen­so­ren ver­lau­fen außer­halb und gelen­küber­grei­fend von der Ober­hül­se in den Unter­arm zur Hand. Die Pro­the­se wird vom Pati­en­ten vor allem wäh­rend der Aus­übung sei­nes Hob­bys – dem Restau­rie­ren von Motor­rä­dern und Auto­mo­bi­len – genutzt. Durch den gerin­gen Bewe­gungs­um­fang im Ellen­bo­gen­ge­lenk von ca. 35° ist die Arm­pro­the­se aber nur begrenzt ein­setz­bar (Abb. 2a). Zudem ist auf­grund der unter­schied­li­chen Ober­arm­län­ge (Abb. 2b) ein ent­spann­tes Sit­zen mit einem Able­gen der Arme auf dem Tisch oder den Bei­nen nicht mög­lich (Abb. 2c), ohne die feh­len­de Arm­län­ge links mit dem Rumpf aus­zu­glei­chen. Infol­ge­des­sen stell­ten sich als­bald stär­ke­re Rücken­be­schwer­den ein. Auch ein Ver­schrän­ken der Arme als natür­li­che Kör­per­hal­tung ist nicht mög­lich. Die Fra­ge, ob die Pro­the­sen­hand zum Mund geführt wer­den kann, erüb­rig­te sich ebenso.

Zie­le der neu­en Versorgung

Den Wunsch nach mehr Bewe­gungs­um­fang hat­te der Pati­ent seit sei­ner ers­ten myo­elek­tri­schen Arm­pro­the­se. Neben einem optisch anspre­chen­de­ren Erschei­nungs­bild, das durch den über­lan­gen Unter­arm der Pro­the­se nur unzu­rei­chend erfüllt ist, wur­de von Sei­ten des Pati­en­ten das Anlie­gen geäu­ßert, auch die Hand zum Mund füh­ren zu kön­nen. Damit erga­ben sich die fol­gen­den Versorgungsziele:

  • grö­ße­rer Bewegungsumfang;
  • Fähig­keit, die Hand bis zum Mund zu füh­ren, um gleich­zei­tig zwei Tätig­kei­ten aus­füh­ren zu kön­nen, z. B. Kaf­fee trin­ken und SMS schreiben;
  • Ver­mei­dung unphy­sio­lo­gi­scher Kom­pen­sa­ti­ons­be­we­gun­gen, vor allem in sit­zen­der Tätigkeit;
  • anspre­chen­de­res Design in Anleh­nung an die kon­tralate­ra­le Seite.

Eine wesent­li­che Inspi­ra­ti­on zur Ermitt­lung einer adäqua­ten Ver­sor­gungs­lö­sung ergab sich aus der Beschäf­ti­gung mit älte­ren tech­ni­schen Lösun­gen aus dem Bereich Arm­pro­the­tik. Wäh­rend der Vor­be­rei­tung auf die Meis­ter­prü­fung an der Bun­des­fach­schu­le für Ortho­pä­die-Tech­nik in Dort­mund wur­de im Fach­be­reich Arm­pro­the­tik bei Fach­leh­rer Det­lef Koke­gei (Leh­rer i. R.) eine his­to­ri­sche Arm­pro­the­se gezeigt, bei der der feh­len­de Bewe­gungs­um­fang im Ell­bo­gen­ge­lenk durch einen Über­set­zungs­me­cha­nis­mus kom­pen­siert wur­de (Abb. 3) 1. Aller­dings konn­te man bei die­ser Ver­sor­gung die Ober­arm­län­ge ver­nach­läs­si­gen, da die­se kei­ne Dif­fe­renz zur kon­tralate­ra­len Sei­te auf­wies, die bei der hier vor­ge­stell­ten Ver­sor­gung signi­fi­kant ist 2.

Erstel­lung des Prototyps

Die beson­de­re Anfor­de­rung bei der Ver­sor­gung bestand dar­in, bei der vor­lie­gen­den Ana­to­mie und dem äußerst gerin­gen Bewe­gungs­um­fang des Pati­en­ten im Ellen­bo­gen­ge­lenk sowie ange­sichts der asym­me­tri­schen Ober­ar­me ein sowohl funk­tio­nel­les als auch optisch zufrie­den­stel­len­des Ergeb­nis zu erzie­len. Mit­tels Skiz­zen wur­de ein ers­ter Über­blick erstellt (Abb.4a). Auf die­ser Grund­la­ge wur­den auf die­ser Grund­la­ge ver­schie­de­ne Pro­to­ty­pen ent­wi­ckelt, bei denen es in ers­ter Linie auf die Funk­ti­on und nicht auf das äuße­re Erschei­nungs­bild ankam (Abb. 5a u. b) 3. Um mit einer ana­to­mi­schen Unter­arm­be­we­gung von 35° einen mecha­ni­schen Bewe­gungs­um­fang von 90° aus­füh­ren zu kön­nen, ist eine Über­set­zung der Bewe­gung nötig. Dabei wird der Ober­arm- (1; die Zif­fern bezie­hen sich auf die Beschrif­tung in den Abbil­dun­gen 5a u. b) und der Unter­arm-Schaft (2) mit par­al­lel ver­lau­fen­den Schie­nen ver­bun­den, wobei der ana­to­mi­sche Ellen­bo­gen­dreh­punkt (3) mit sei­ner Ach­se auf die­sen Schie­nen frei beweg­lich fixiert ist und der mecha­ni­sche Ellen­bo­gen­dreh­punkt (4) der Pro­the­se sich auf den­sel­ben Schie­nen 6 cm kau­dal der ana­to­mi­schen Ellen­bo­gen­ach­se befin­det. Am befes­tig­ten Unter­arm­schaft der Pro­the­se wird eine wei­te­re Ach­se (5) ca. 25 mm distal und 18 mm dor­sal des mecha­ni­schen Ellen­bo­gen­ge­len­kes posi­tio­niert. Die­se Ach­se wird mit­tels einer län­gen­va­ri­ier­ba­ren Zug­stan­ge (6) mit einer wei­te­ren Ach­se am dista­len Schaft­en­de des Unter­arm­stump­fes ver­bun­den. Das modi­fi­zier­te Zube­hör­teil „17BK2“ (7) des Kor­rek­tur-Sys­tem­ge­lenks „17BK1“ (Otto­bock) wur­de zur Fle­xi­ons­un­ter­stüt­zung in das mecha­ni­sche Ellen­bo­gen­ge­lenk inte­griert. Die­se Unter­stüt­zung ist not­wen­dig, da allein das Gewicht der Pro­the­sen­hand bei ca. 500 g liegt. Möch­te der Pati­ent bei­spiels­wei­se ein Glas mit 250 ml Was­ser vom Tisch zum Mund füh­ren, läge der Kraft­auf­wand bei einem Hebel­arm von ca. 30 cm und einen Hebel­an­satz von 2,5 cm (F1 · l1 = F2 · l2) bei ca. 88 N. Das heißt, dass der Pati­ent beim Anhe­ben des Gla­ses Was­ser das Gefühl hät­te, er wür­de einen fast vol­len, 9 kg schwe­ren Eimer Was­ser anhe­ben. Durch die fle­xi­bel ein­stell­ba­re Kraft­un­ter­stüt­zung der Spi­ral­fe­der des Kor­rek­tur-Sys­tem­ge­lenks lässt sich der Kraft­auf­wand enorm reduzieren.

Fer­ti­gung der defi­ni­ti­ven Prothese

Nach dem posi­ti­ven Ergeb­nis der Test­ver­sor­gung wur­de die Fer­ti­gungs­tech­nik für die defi­ni­ti­ve Ver­sor­gung kon­zi­piert. Eine Mög­lich­keit der Her­stel­lung bestand dar­in, in klas­si­scher Wei­se mit Gieß­harz­ar­bei­ten einen Pro­the­sen­schaft, ein Ellen­bo­gen­ge­lenk sowie einen ein­fa­chen Unter­arm­schaft zu fer­ti­gen. Fol­gen­de Arbeits­schrit­te wären dazu not­wen­dig gewesen:

  • Pro­be­schaft mit Gips ausgießen,
  • Defi­ni­tiv­schaft aus GfK herstellen,
  • anschäu­men,
  • Dum­mys für Akkus, Lade­buch­sen, Sen­so­ren etc. einarbeiten,
  • iso­lie­ren und übergießen,
  • auf­wen­dig aus­ar­bei­ten (sägen, schlei­fen, lackie­ren etc.).

Dabei han­delt es sich um eine zeit­auf­wen­di­ge Pro­ze­dur, die durch neue­re Ver­fah­ren zur Her­stel­lung von Pro­the­sen ersetzt wer­den kann: Kon­struk­ti­on am PC plus 3D-Druck. Eine Kon­struk­ti­on am PC war hier auch ange­sichts der Vor­ga­be sinn­voll, einen Kabel­ka­nal für die Ver­bin­dung der Sen­so­ren im Ober­arm mit der Hand im Unter­arm sowie das „17BK2“-Gelenk zu inte­grie­ren. Zur Umset­zung wur­den die Soft­ware „Geo­ma­gic Free­form“ des Anbie­ters 3DSystems (3DSystems, Geo­ma­gic Free­form, Ver­si­on 2017.0.109), zwei Scan­ner des Her­stel­lers Artec („Eva“ und „Spi­der“) sowie die dazu­ge­hö­ri­ge Soft­ware „Stu­dio“ (Artec Stu­dio, Ver­si­on 11) ver­wen­det. Der Fer­ti­gungs­pro­zess ver­läuft dann wie folgt: Der Pro­be­schaft wird zunächst mit porö­sem Gips aus­ge­gos­sen. Danach wird der HTV-Ober­arm- und ‑Unter­arm­schaft her­ge­stellt (Abb. 6). Nach der Aus­vul­ka­ni­sie­rung des HTV-Sili­kons wer­den die Schäf­te gescannt. Die­se Scans müs­sen exakt sein, damit die vor­ge­se­he­nen Fixie­run­gen am HTV-Schaft in die spä­ter gedruck­ten Ele­men­te per­fekt ein­ge­klickt wer­den kön­nen. Die Daten aus den Pro­to­ty­pen (Abb. 5b) sowie Maße und räum­li­che Ver­hält­nis­se der Gelen­ke im Raum wer­den in die CAD-Kon­struk­ti­on am PC über­tra­gen (Abb. 7). Dabei wer­den das „17BK2“-Gelenk sowie der Hand­ad­ap­ter eben­falls positioniert.

Die Form des Pro­the­sen­un­ter­ar­mes ergibt sich aus dem gespie­gel­ten Scan der kon­tralate­ra­len Sei­te. Die­ser dient in Form und Umfang als maxi­ma­le Vor­ga­be für die wei­te­re Kontruk­ti­on (sie­he Abb. 4c). Der Ellen­bo­gen der Pro­the­se ist nicht wie ein ein­fa­ches kugel­för­mi­ges Arm­pas­s­teil, son­dern wie ein ana­to­mi­sches Ellen­bo­gen­ge­lenk kon­zi­piert 4.

Am PC kann man die Bewe­gungs­um­fän­ge stets simu­lie­ren bzw. ani­mie­ren und sich somit zu jeder Zeit ein Bild über die jewei­li­ge Rea­li­sier­bar­keit ver­schaf­fen. Der Kabel­baum, der zuvor von der Ober­hül­se zum Unter­arm außer­halb der Pro­the­se ver­lief und stets hin­der­lich war, soll­te nun inner­halb der Pro­the­se ver­lau­fen. Ein Kabel­ka­nal, der von der Ober­hül­se inner­halb der late­ra­len Ver­bin­dungs­schie­ne durch das mecha­ni­sche Ellen­bo­gen­ge­lenk wie­der aus­tritt, soll­te das Pro­blem lösen. Der Schaft des Unter­arm­stump­fes ist an der Posi­ti­on des ana­to­mi­schen Ellen­bo­gen­dreh­punk­tes zwi­schen den Schie­nen, die Ober- und Unter­arm ver­bin­den, frei beweg­lich fixiert. Als Zug­stan­ge, die den pro­the­ti­schen Unter­arm in die Fle­xi­on bewegt, wur­de eine ver­stell­ba­re Schein­wer­fer­stan­ge aus der Auto­mo­bil­in­dus­trie benutzt. Somit kann der Anwen­der die Vor­span­nung zur Fle­xi­on im Ellen­bo­gen­ge­lenk indi­vi­du­ell einstellen.

Die drei erstell­ten CAD-Datei­en (geren­der­te Dar­stel­lung der zusam­men­ge­füg­ten drei­tei­li­gen Pro­the­se in Abb. 8) wur­den sodann als Grund­la­ge zur Her­stel­lung der Tei­le aus dem bio­kom­pa­ti­blen und säu­re­re­sis­ten­ten Ther­mo­plast Poly­amid (PA) 12 ver­wen­det. Als Her­stel­lungs­ver­fah­ren kam das SLS-Ver­fah­ren (Selek­ti­ves Laser­sin­tern) zum Ein­satz. Nach dem 3D-Druck muss­te zunächst der Kabel­ka­nal vom Sin­ter­pul­ver befreit wer­den. Anschlie­ßend wur­den alle Ein­zel­tei­le zusam­men­ge­setzt und die Funk­tio­na­li­tät der elek­tro­ni­schen und mecha­ni­schen Bau­tei­le über­prüft (eine Detail­auf­nah­me der Kraft­über­tra­gung zeigt Abb. 9). Der Pati­ent erhielt eine Ein­wei­sung in die Hand­ha­bung sowie War­tungs- und Pfle­ge­hin­wei­se für die Prothese.

Ver­sor­gungs­er­geb­nis

Der Pati­ent lern­te sehr schnell, die erwei­ter­ten Mög­lich­kei­ten der neu­en Ver­sor­gung zu nut­zen und sie in sei­nen All­tag zu inte­grie­ren. Die Über­prü­fung der ein­gangs for­mu­lier­ten Ver­sor­gungs­zie­le ergibt ein für bei­de Sei­ten sehr zufrie­den­stel­len­des Resul­tat (Abb. 10a–e):

  • Die Pro­the­se ver­fügt über ein anspre­chen­de­res Design in Anleh­nung an die kon­tralate­ra­le Sei­te (Abb. 10a u. b).
  • Der Bewe­gungs­um­fang konn­te von 35° auf über 90° erwei­tert wer­den. Es ist dadurch pro­blem­los mög­lich, die Hand zum Mund zu füh­ren (Abb. 10c).
  • Unphy­sio­lo­gi­sche Kom­pen­sa­ti­ons­be­we­gun­gen bzw. Fehl­hal­tun­gen vor allem in sit­zen­der Tätig­keit konn­ten aus­ge­räumt wer­den (Abb. 10d).
  • Es kön­nen gleich­zei­tig meh­re­re Tätig­kei­ten aus­ge­führt wer­den, bei­spiels­wei­se Kaf­fee trin­ken und eine SMS schrei­ben (Abb. 10e).

Ins­ge­samt wur­de auf die­se Wei­se ein den Pati­en­ten begeis­tern­des Resul­tat mit dem Poten­zi­al für neue Akti­vi­tä­ten erzielt und der Behin­de­rungs­aus­gleich auf ein deut­lich höhe­res Niveau angehoben

Fazit

Die Her­stel­lung der hier vor­ge­stell­ten indi­vi­du­el­len Arm­pro­the­se wäre in „ana­lo­ger“ Bau­wei­se nicht wirt­schaft­lich rea­li­sier­bar – zu auf­wen­dig und zu zeit­rau­bend wären die dazu not­wen­di­gen Arbeits­schrit­te. Zudem ist das hier vor­ge­stell­te Ergeb­nis auch aus ande­ren Grün­den vor­teil­haft: Die dar­ge­stell­te Ver­sor­gung bie­tet dem Pati­en­ten einen enor­men Zuge­winn an Funk­tio­na­li­tät; dar­über hin­aus wur­de die Optik eben­falls deut­lich ver­bes­sert und die Fehl­hal­tung im Sit­zen kor­ri­giert. Mög­lich wur­de dies durch eine Ver­knüp­fung tra­di­tio­nel­len Hand­werks­wis­sens mit zeit­ge­mä­ßen Fer­ti­gungs­me­tho­den. Inso­fern zeigt die­ses Bei­spiel das Poten­zi­al des Ortho­pä­die­tech­nik-Hand­werks für die Zukunft deut­lich auf: Die Digi­ta­li­sie­rung sorgt für neue Werk­zeu­ge, die – wie anhand die­ses Ver­sor­gungs­bei­spiels gezeigt wer­den konn­te – den Nut­zen und die Akzep­tanz für die Pati­en­ten stei­gern und gleich­zei­tig die Wirt­schaft­lich­keit nicht unbe­rück­sich­tigt las­sen. Grund­la­ge für eine erfolg­rei­che Ver­sor­gung ist dabei aber immer, dass der­je­ni­ge, der die Ver­sor­gung über­nimmt, aus der Erfah­rung des Ortho­pä­die­hand­werks, dem ana­to­mi­schen Wis­sen und der Kennt­nis der bio­me­cha­ni­schen Zusam­men­hän­ge schöp­fen kann und die­se krea­tiv umsetzt.

Der Autor:
Cars­ten Suh­le, OTM
Sani­täts­haus Klinz GmbH
Ernest-Sol­vay-Str. 2a
06406 Bern­burg
Suhle@klinz-online.de

Begut­ach­te­ter Beitrag/Reviewed paper

Zita­ti­on
Suh­le C. Fall­bei­spiel: 3D-Druck gefer­tig­te Arm­pro­the­se für einen erwach­se­nen Dys­me­lie-Pati­en­ten mit ultra­kur­zem Unter­arm­stumpf. Ortho­pä­die Tech­nik; 2020, 71 (6): 52–56
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  1. Koke­gei D. His­to­ri­sche Arm­pro­the­se. Dort­mund: Bun­des­fach­schu­le für Orthopädietechnik/Fachbereich Arm­pro­the­tik, 2018
  2. Koke­gei D, Bie­rin­ger S, Sib­bel B. Exo­ske­letta­le Pro­the­sen der obe­ren Extre­mi­tät. Ortho­pä­die und Unfall­chir­ur­gie up2date, 2012; 7 (05): 367–394
  3. Ver­ein zur Qua­li­täts­si­che­rung in der Arm­pro­the­tik e. V. (Hrsg.). Kom­pen­di­um Qua­li­täts­stan­dard im Bereich Pro­the­tik der obe­ren Extre­mi­tät. Dort­mund: Ver­lag Ortho­pä­die-Tech­nik, 2014
  4. Schün­ke M, Schul­te E, Schu­ma­cher U. Pro­me­theus Ler­n­At­las der Ana­to­mie. 5., voll­stän­dig über­ar­bei­te­te Aufl. Stutt­gart, New York: Thie­me, 2018
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