Pro­the­senknie­ge­lenk für Kin­der entwickelt

Wer ein Hilfsmittel für Kinder entwickeln will, der muss auch die Welt mit den Augen eines Kindes betrachten. Ihr Alltag besteht aus Spiel und Spaß. Neugierde und Entdeckergeist sind ihre ständigen Begleiter, während ihnen Unbeschwertheit und Fantasie den Weg weisen.

Damit Kin­dern mit Ampu­ta­tio­nen wäh­rend ihrer Aben­teu­er­rei­sen nichts im Wege steht, hat das Team des eng­li­schen Fami­li­en­un­ter­neh­mens Ortho­mo­bi­li­ty das Pro­the­senknie­ge­lenk VGK‑J ent­wi­ckelt, das bereits ab einem Alter von drei Jah­ren genutzt wer­den kann. Wel­che Her­aus­for­de­run­gen die­ser Pro­zess mit sich brach­te und wel­che Bedeu­tung fluid­ge­steu­er­ten Knie­ge­len­ken zukommt, dar­über berich­tet das Füh­rungs­team um ­Jacob, Jen­ni­fer, Jay und Jona Boen­der im Gespräch mit der OT-Redaktion.

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OT: Das Knie­ge­lenk­sys­tem VGK‑J ist für Kin­der ab drei Jah­ren ent­wi­ckelt wor­den. Sehen Sie in die­ser Alters­klas­se gene­rell Nach­hol­be­darf auf dem Markt?

Jen­ni­fer Boen­der: Kin­der ler­nen vor allem durch Spie­len. Des­halb ist es umso wich­ti­ger, dass ampu­tier­te klei­ne­re Kin­der bereits Pro­the­sen tra­gen, die ihnen ein natür­li­ches und intui­ti­ves Gefühl ver­mit­teln. Hoch­funk­tio­nel­le Knie­ge­len­ke hel­fen ihnen dabei, all­täg­li­chen Akti­vi­tä­ten nachzugehen.

Mikro­pro­zes­sor­ge­steu­er­te Knie­ge­len­ke für erwach­se­ne Ampu­tier­te gibt es bereits seit 1995. Damals erfand James Kel­ly das ers­te Modell, das zunächst auf wenig Inter­es­se am Markt stieß, bevor es spä­ter sehr erfolg­reich wur­de. Nach­hol­be­darf gibt es aller­dings defi­ni­tiv bei der Ent­wick­lung eines Knies für Ampu­tier­te ab drei Jah­ren. Soweit wir wis­sen, gibt es auf dem Welt­markt noch nichts ver­gleich­bar Hoch­funk­tio­na­les. Die Kin­der befin­den sich in die­sem Alter in einer ent­schei­den­den Lern- und Ent­wick­lungs­pha­se – und das VGK‑J hilft ihnen, ihre grund­le­gen­den Mobi­li­täts­be­dürf­nis­se zu befrie­di­gen. Dabei müs­sen wir auf jeden Fall auch beden­ken, dass sie für den Rest ihres Lebens ampu­tiert sein wer­den. Die­se Markt­lü­cke für jün­ge­re Ampu­tier­te zu schlie­ßen, ist unser ganz per­sön­li­ches Ziel und unse­re Herzensangelegenheit.

Die Ent­wick­lung von Pro­the­sen für Kin­der ist ein ent­schei­den­der Schritt in der moder­nen Medi­zin­tech­nik, der nicht nur die Mobi­li­tät, son­dern auch die Lebens­qua­li­tät jun­ger Pati­en­ten erheb­lich ver­bes­sern kann. Ins­be­son­de­re bei der Gestal­tung von Pro­the­senknie­ge­len­ken für Kin­der ab drei Jah­ren ste­hen Inge­nieu­re bei der Ent­wick­lung vor ein­zig­ar­ti­gen Her­aus­for­de­run­gen. Die­se Alters­grup­pe erfor­dert nicht nur funk­tio­na­le, intui­tiv bedien­ba­re und anpas­sungs­fä­hi­ge Lösun­gen, son­dern auch ein beson­de­res Augen­merk auf das Wachs­tum und die sich ver­än­dern­den Bedürf­nis­se der klei­nen Nut­zer. In die­sem Kon­text wird die Ent­wick­lung eines inno­va­ti­ven Pro­the­senknie­ge­lenks für Kin­der zu einem wich­ti­gen For­schungs­feld, das dar­auf abzielt, die Bewe­gungs­frei­heit und das Selbst­be­wusst­sein der betrof­fe­nen Kin­der zu för­dern und ihnen ein akti­ves und erfüll­tes Leben zu ermöglichen.

OT: Kin­der lau­fen, fal­len, toben, spie­len im Sand, sprin­gen in Pfüt­zen – ihre Pro­the­se muss im All­tag viel aus­hal­ten. Hält das VGK‑J all dem stand?

Jay Boen­der: Eltern wis­sen, wie stark und eif­rig Kin­der beim Toben und Spie­len sein kön­nen. Kin­der in die­sem Alter tes­ten Gren­zen aus und sind in ihrer Unbe­schwert­heit unbe­re­chen­bar und den­ken meist nicht dar­über nach, wel­che Kon­se­quen­zen ihr Han­deln hat. Dem­entspre­chend muss ihre Pro­the­se im All­tag tat­säch­lich viel aus­hal­ten. Pro­the­senknie­ge­len­ke wie das VGK‑J sind Medi­zin­pro­duk­te, die erst dann auf den Markt kom­men, wenn sie aus­gie­big struk­tu­rell und funk­tio­nell getes­tet wor­den sind. Das bedeu­tet, dass sie unter ande­rem destruk­ti­ven Tests unter­zo­gen wer­den und die­sen stand­hal­ten müs­sen. Das sind regu­la­to­ri­sche Anfor­de­run­gen, die wir streng
einhalten.

Das VGK-J wurde für Kinder ab drei Jahren entwickelt. Foto: Orthomobility
Das VGK‑J wur­de für Kin­der ab drei Jah­ren ent­wi­ckelt. Foto: Orthomobility

Am Anfang steht die Fantasie

OT: Wel­che Her­aus­for­de­run­gen galt es bei der Ent­wick­lung zu überwinden?

Jona Boen­der: Die Zahl der betrof­fe­nen Ampu­tier­ten ist sehr gering – einer von tau­send Men­schen ist ampu­tiert, und ampu­tier­te Kin­der machen nur einen sehr klei­nen Teil aus. Ein Teil der Her­aus­for­de­rung war also eine rein wirt­schaft­li­che Ent­schei­dung, da der Markt für ein sol­ches Pro­dukt sehr klein ist. Doch wie einst James Kel­ly hat auch unser Team eine Visi­on: Wir glau­ben, dass es kei­nen „Durch­schnitt­s­am­pu­tier­ten“ gibt, und wir arbei­ten dar­an, Pro­duk­te zu ent­wi­ckeln, die einer Viel­zahl von spe­zi­fi­schen Bedürf­nis­sen gerecht werden.

Wir muss­ten ein siche­res und dyna­mi­sches Knie­ge­lenk für jün­ge­re Kin­der ent­wi­ckeln, das alle der fol­gen­den Eigen­schaf­ten in sich ver­eint: hoch­funk­tio­nell, sehr robust, kom­pakt und leicht. Auch die Wahl der ver­schie­de­nen Materia­li­en mit ihren spe­zi­fi­schen Eigenschaf­ten für Fes­tig­keit, Halt­bar­keit oder Fle­xi­bi­li­tät sowie die ver­schie­de­nen Arten von Ober­flä­chen­be­schich­tun­gen zum Schutz vor äuße­ren Ein­flüs­sen und für den robus­ten Ein­satz und die Ver­wen­dung im Was­ser muss­ten sorg­fäl­tig abge­wo­gen und durch­dacht wer­den. Die krea­ti­ven Desi­gnaspek­te und die Form­ge­bung des Knie­ge­lenks waren wei­te­re Her­aus­for­de­run­gen bei der Ent­wick­lung die­ses Pro­the­sen­pass­teils, das größ­ten­teils aus hoch­wer­ti­gen Metal­len besteht, damit es wie ein mensch­li­ches Kör­per­teil aus­sieht und funk­tio­niert. Die­ser Teil der Arbeit ist für uns unbe­zahl­bar und wird mit Hin­ga­be und Lie­be gestal­tet. Die Her­aus­for­de­rung besteht dar­in, Kunst und Aus­füh­rung zu ver­ei­nen, um ein funk­tio­nel­les Design zu schaf­fen. Es beginnt in der Fan­ta­sie, geht dann wei­ter mit einer aus­ge­klü­gel­ten Soft­ware auf einem Lap­top und ent­wi­ckelt sich spä­ter zu einer rea­len Form, die man füh­len, anfas­sen und in einer Werk­statt mit den vor­han­de­nen Mate­ri­al­tei­len zusam­men­bau­en kann.

Fluid­steue­rung vs. elek­tro­ni­sche Steuerung

OT: Wie Ihre ande­ren Model­le wird auch das VGK‑J fluid­ge­steu­ert. Was bedeu­tet das?

Jacob Boen­der: Man muss sich der Tat­sa­che bewusst sein, dass ein Knie­ge­lenk, das ledig­lich mit Flüs­sig­keit gefüllt ist, nicht zwangs­läu­fig ein „gesteu­er­tes“ Knie­ge­lenk ist. Der Begriff „Steue­rung“ ist in der tech­ni­schen Fach­spra­che von beson­de­rer Bedeu­tung: Er besagt, dass das Knie unter vari­ierenden äuße­ren Bedin­gun­gen sta­bi­li­siert wird. Es gibt eini­ge flüs­sig­keits­ge­füll­te Knie­ge­len­ke, die sich bei einer dop­pelt so gro­ßen Stei­gung dop­pelt so schnell beu­gen – das ist pro­ble­ma­tisch! Es muss über eine Steue­rung ver­fü­gen! Ein gesteu­er­tes Knie­ge­lenk soll­te die Beu­ge­ge­schwin­dig­keit an einer Stei­gung begren­zen, wie es das mensch­li­che Bein von Natur aus tut. Das mensch­li­che Knie­ge­lenk beugt sich nicht dop­pelt so schnell, wenn die Belas­tung dop­pelt so hoch ist. Die Mus­keln pas­sen sich an. Eine Steue­rung ist dann gege­ben, wenn die Beu­ge­ge­schwin­dig­keit sta­bi­li­siert und begrenzt wird, zum Bei­spiel bei einem dop­pelt so stei­len Abhang – sie soll­te dann nur 10 Pro­zent, aber kei­nes­falls 100 Pro­zent höher sein. In die­sem Sin­ne ist beim Gehen mit einem „gesteu­er­ten“ Gelenk der Knie­beu­ge­win­kel auf maxi­mal 63 Grad begrenzt, wie es beim mensch­li­chen Bein der Fall ist, unab­hän­gig von der Geh­ge­schwin­dig­keit. Ein wei­te­res Merk­mal eines „gesteu­er­ten“ Gelenks ist nicht zwangs­läu­fig die Elek­tro­nik, son­dern die Tat­sa­che, dass eine Rück­kopp­lung statt­fin­det, die den Wider­stand dyna­misch regelt. Dies ist zwar auch mit Elek­tro­nik mög­lich, aber Elek­tro­nik allein bedeu­tet nicht, dass es immer eine Steue­rung gibt. Fluid­ge­steu­er­te Knie­ge­len­ke sind in die­sem Sin­ne dyna­misch gesteu­er­te Gelenke.

OT: Wie genau funk­tio­niert der Prozessor?

Jacob Boen­der: Der Flui­dik-Pro­zes­sor nutzt die natür­lichen Eigen­schaf­ten von Flüs­sig­kei­ten und die Lage im Raum, um mathe­ma­ti­sche Ope­ra­tio­nen durch­zu­füh­ren, Rück­kopp­lungs­schlei­fen zu imple­men­tie­ren und einen Sta­tus­spei­cher zu inte­grie­ren. Dadurch hat das fluid­ge­steu­er­te Knie­ge­lenk eine Ver­ar­bei­tungs­ge­schwin­dig­keit, die 300 Hertz ent­spricht. Das bedeu­tet, dass das Kon­troll­sys­tem inner­halb von 0,003 Sekun­den auf Ver­än­de­run­gen ­reagiert – also gefühlt in Echt­zeit. Der Flui­dik-Pro­zes­sor ermög­licht zudem auch eine intui­ti­ve Bedie­nung, die dem Anwen­der das Gefühl ver­mit­telt, sei­ne Mobi­li­tät selbst in der Hand zu haben, anstatt dass eine Soft­ware die Kon­trol­le über­nimmt und unter Ver­brauch von Ener­gie (Strom) vor­pro­gram­mier­te Algo­rith­men ein- oder aus­schal­tet. Die Funk­ti­ons­wei­se des Pro­zes­sors ist äußerst aus­ge­klü­gelt. Inter­ne Sen­so­ren inter­agie­ren mit den natür­li­chen Eigen­schaf­ten der Hydrau­lik­flüs­sig­keit, um den Durch­fluss prä­zi­se zu steu­ern. Mit ande­ren Wor­ten, ein fluid­ge­steu­er­tes Knie­ge­lenk nutzt dyna­mi­sche phy­si­ka­li­sche Prin­zi­pi­en zur Steue­rung: Es ver­wen­det Sen­so­ren, die Geschwin­dig­keit und Kraft mes­sen, sodass die Ven­til­funk­tio­nen ange­passt wer­den. Auf die­se Wei­se reagie­ren sie in unter­schied­li­chen Situa­tio­nen beim Gehen in Echt­zeit, indem sie den Bewe­gungs­wi­der­stand und die Geh­ge­schwin­dig­keit inner­halb eines ein­zi­gen Schrit­tes anpassen.

OT: Fluid­steue­rung vs. elek­tro­ni­sche Steue­rung: Wo lie­gen die Vor- und Nachteile?

Jay Boen­der: Betrach­tet und ver­gleicht man flüs­sig­keits­ge­steu­er­te (FPK) und mikro­pro­zes­sor­ge­steu­er­te (MPK) Knie­ge­len­ke, erge­ben sich meh­re­re Gemein­sam­kei­ten und Unter­schie­de, aus denen sich die jewei­li­gen Vor- und Nach­tei­le ablei­ten las­sen. Sowohl FPK als auch MPK sind grund­sätz­lich mecha­ni­sche Gerä­te, die unter ande­rem die glei­chen Mate­ria­li­en wie Metall und Kunst­stoff ver­wen­den, die aus mecha­ni­schen Kom­po­nen­ten wie Ven­ti­len bestehen und Kol­ben ver­wen­den. Bei­de Arten zie­len dar­auf ab, die Mobi­li­tät von Ampu­tier­ten zu ver­bes­sern und eine höhe­re Geh­dy­na­mik und Sta­bi­li­tät zu errei­chen. Der kla­re Vor­teil der fluid­ge­steu­er­ten Knie­ge­len­ke ist ihre intui­ti­ve Bedie­nung. Die­se Gelen­ke sind beson­ders benut­zer­freund­lich und benö­ti­gen kei­ne Bat­te­rien, die regel­mä­ßig auf­ge­la­den wer­den müs­sen. Das macht den Nut­zer unab­hän­gig, denn die Pro­the­se kann jeder­zeit ein­ge­setzt wer­den und bleibt ein­satz­be­reit. Dar­über hin­aus reagie­ren FPK in Echt­zeit ohne elek­tro­ni­sche Ver­zö­ge­rung und stel­len sich sofort auf die Bewe­gun­gen des Pro­the­sen­trä­gers ein. Fluid­ge­steu­er­te Knie­ge­len­ke punk­ten auch durch ihre Robust­heit, da sie raue­ren Umge­bun­gen stand­hal­ten kön­nen. Sie sind was­ser­dicht und somit unemp­find­lich gegen­über unter­schied­li­chen Umwelt­be­din­gun­gen und reagie­ren zuver­läs­sig. Die Fle­xi­bi­li­tät der anpass­ba­ren Optio­nen mag zwar im Ver­gleich zu mikro­pro­zes­sor­ge­steu­er­ten Knie­ge­len­ken ein­ge­schränk­ter sein, aber Flui­dik-Knie­ge­len­ke sind in punc­to Sicher­heit und Anpas­sungs­fä­hig­keit gleich leistungsstark.

Beglei­tung von Kind­heit über Jugend bis hin zum Erwachsenenalter

OT: Kaum hat man ein neu­es Paar Schu­he für sein Kind gekauft, ist es die­sen schon wie­der ent­wach­sen. Wie sieht es mit dem Knie­ge­lenk­sys­tem aus – passt es sich den Bedürf­nis­sen der Anwender:innen an?

Jona Boen­der: Wir haben das VGK‑J so kon­zi­piert, dass es bereits im frü­hen Alter ein­ge­setzt wer­den kann. Das Knie­ge­lenk kann sich dem Wachs­tum und der Ent­wick­lung der Kin­der anpas­sen. Wenn sie grö­ßer wer­den, wird das ­VGK-XS für Jugend­li­che ab 35 Kilo­gramm emp­foh­len, um sie bis ins Erwach­se­nen­al­ter zu begleiten.

Mark­ein­füh­rung des VGK‑J in Planung

OT: Noch ist das Knie­ge­lenk nicht auf dem Markt. Zu wann pla­nen Sie die Ein­füh­rung und wel­che Schrit­te sind bis dahin noch erforderlich?

Jen­ni­fer Boen­der: Wir haben bereits den Pro­to­typ des VGK‑J auf der OTWorld in Leip­zig im Mai 2024 vor­ge­stellt. Wir stre­ben eine Markt­ein­füh­rung in Deutsch­land im ­Dezem­ber 2024 oder Janu­ar 2025 an. Bis dahin wird das VGK‑J von der Ziel­grup­pe in Zusam­men­ar­beit mit ortho­pä­di­schen Werk­stät­ten auf Herz und Nie­ren geprüft.

OT: Wel­ches Feed­back haben Sie von den Anwender:innen erhal­ten? Was schät­zen die Kin­der besonders?

Jacob Boen­der: Das VGK‑J basiert auf einer ähn­li­chen Tech­no­lo­gie wie das eta­blier­te VGK-XS für Jugend­li­che. Nut­zer des VGK-XS sagen, dass sie die Sicher­heit des Knies und die Mög­lich­keit, ver­schie­de­ne Akti­vi­tä­ten durch­zu­füh­ren (Rad­fah­ren, varia­bles Gelän­de, varia­ble Geh­ge­schwin­dig­kei­ten), schät­zen. Dies sind alles Eigen­schaf­ten, die wir trotz des begrenz­ten Plat­zes in das VGK‑J über­nom­men haben.

Das VGK‑J hat bereits umfang­rei­che Fini­te-Ele­men­te-­Tests durch­lau­fen. Die Span­nung ist also groß. Da die struk­tu­rel­len Tests jedoch noch nicht abge­schlos­sen sind, bleibt abzu­war­ten, wie das Feed­back der jün­ge­ren Kin­der aus­fal­len wird.

Die Fra­gen stell­te Pia Engelbrecht.

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