Thomas More automatisiert die Prothesenanpassung mit neuartiger KI und Artec 3D-Scanning

Ein Patient, dessen Bein von einem Thomas More-Forscher mit Artec Leo 3D-gescannt wird

Ob sie nun mit Missbildungen geboren wurden oder Opfer von Krankheiten oder lebensverändernden Unfällen sind, sehen sich Menschen mit fehlenden Gliedmaßen täglich mit Hindernissen konfrontiert, wie sie die meisten Menschen gar nicht kennen werden. Diese Hindernisse treten nicht nur bei alltäglichen Aufgaben wie Heben und Tragen auf, sondern können bei Patienten, die unter sozialen Ängsten oder Phantomschmerzen leiden, auch eine psychische Form annehmen.

Wenn sich Amputierte für eine Prothese entscheiden, werden sie zunächst in der Regel über einen traditionellen Gipsabdruck mit einem Schaft versorgt. Dieses Verfahren, bei dem ein Teil der Gliedmaßen manuell vermessen wird, kann sehr zeitaufwändig sein und für die Patienten schnell unangenehm werden. In vielen Fällen werden die Gipsabdrücke auch nicht aufbewahrt, so dass Vermessungswerte, die später noch wertvoll sein könnten, verloren gehen. Das ist auch in Kliniken der Fall, wo oft teure Gipsmaterialien weggeworfen werden.

Glücklicherweise suchen Forscher wie die des Thomas More Mobilab & Care Labs ständig nach neuen Wegen, um die Anpassung von Prothesen weniger invasiv und einfacher für Kliniker zu gestalten. Dank der 3D-Scanner von Artec scheinen sie nun kurz vor einem Durchbruch zu stehen.

Die Digitalisierung des Prothesendesigns

Das Team des Labors Mobilab & Care im belgischen Geel hat sich der Verbesserung der Lebensqualität von Menschen mit Pflege- oder Unterstützungsbedarf verschrieben. In den letzten 16 Jahren untersuchten sie die Art und Weise, wie orthopädische Ärzte und Patienten interagieren, und forschten nach neuen Ansätzen für die Entwicklung besser angepasster Geräte.

Eine der vielen Möglichkeiten, mit denen die Forscher dies versuchten, ist der Einsatz fortschrittlicher Technologien wie 3D-Scannen und 3D-Drucken. Dem Team zufolge ermöglicht die Digitalisierung des Prozesses der Anpassung von Prothesen, Schäften und Gliedmaßen an den Patienten, dass diese mit größerer kreativer Freiheit entworfen und viel schneller hergestellt werden können.

Obwohl das Team von Mobilab & Care nominell eine Forschungsgruppe der Thomas More University of Applied Sciences ist, konnte es verschiedene Partnerschaften mit orthopädischen Firmen, Krankenhäusern und akademischen Einrichtungen eingehen, um seine Ideen zu testen. Bisher fanden diese Projekte sowohl im klinischen als auch im wissenschaftlichen Umfeld statt. Die Forscher arbeiteten mit Klinikern und Patienten zusammen, um maßgeschneiderte Prothesen und Orthesen für Hände, Handgelenke und andere betroffene Gliedmaßen zu entwickeln.

Thomas More Mobilab & Care-Forscher verwenden ihren Artec Leo in einem anderen Projekt

Tom Saey, Forscher und Business Developer bei Mobilab & Care, sagt, dass man schon früh eine Marktlücke entdeckt habe – genau zwischen den 3D-Scannern, die am häufigsten von Klinikern eingesetzt werden, und dem, was diese tatsächlich brauchen.

„Wir haben festgestellt, dass in der Orthesenbranche schon seit einiger Zeit 3D-Scanner eingesetzt werden, allerdings nicht für den 3D-Druck von Orthesen, sondern für das Fräsen von Positivmodellen“, erklärt Saey. „Damals wurden die meisten Scanner jedoch von den Anbietern dieser Frässysteme und der dazugehörigen Software verkauft. Auch wir haben uns diese Scanner angeschaut, stießen aber bald an Grenzen.“

Auf Grundlage ihrer Erkenntnisse begannen Saey und seine Kollegen mit der Suche nach einer leistungsfähigeren Alternative. Zunächst erreichte das Team erste Erfolge beim Gliedmaßen-Scanning mit Artec Eva. Doch Saey fügt hinzu, dass seit dem Tag, an dem Artec Ambassador 4C Creative CAD CAM Consultants ihm den kabellosen, KI-gesteuerten Artec Leo vorstellte, klar war, dass mit dem integrierten Display dieses Scanners die eigenen Bemühungen noch bedeutend weiter kommen könnten.

„Als wir mit Studenten kabelgebundene Scanner verwendeten, stellten wir fest, dass es schwierig ist, beim Scannen auf einen Computerbildschirm zu schauen“, so Saey. „Für viele Menschen ist das ein großer Nachteil. Außerdem ist es beim Scannen von Patienten, um die man sich bewegen muss, immer einfacher, wenn man keine Kabel hat. Das sind die beiden Hauptgründe, warum wir uns für Leo entschieden.“

Die Forscher sagen, dass das eingebaute Display von Artec Leo einer der Hauptgründe für die Anschaffung war

Edwin Rappard, Direktor von 4C Creative CAD CAM Consultants, ist ebenfalls der Meinung, dass die Kontaktlosigkeit des 3D-Scannens den Wechsel von unsauberen Abgüssen zu digitalen Messungen prädestiniert.

„Der große Vorteil bei der Verwendung eines Scanners für genaue Messungen besteht darin, dass man den Patienten überhaupt nicht berühren muss. Es ist also sehr viel bequemer“, so Rappard. „Mit Artec Eva und Leo können wertvolle Messdaten aufbewahrt und elektronisch gespeichert werden und gehen nicht verloren, auch wenn der Gips irgendwann als Abfall entsorgt wird. Das sind große Vorteile im Vergleich zur Messung mit Gips.“

Automatisiertes Scannen mit KI

Nach der Einführung von Artec Leo setzte das Team von Mobilab & Care das Gerät im Rahmen eines Forschungsprojekts mit dem belgischen Unternehmen Orthobroker ein, um ein Vorhersagemodell für die Entwicklung von Prothesen für die unteren Gliedmaßen zu entwickeln. Laut Saey müssen diese Prothesen derzeit jedes Mal „von Grund auf neu entworfen“ werden, ein Prozess, der „eine Menge Abläufe in der CAD-Software“ und manuelle Korrekturen erfordert.

Da jedoch die meisten dieser Korrekturen bei verschiedenen Patienten ähnlich ablaufen, soll der KI-Algorithmus der Forscher in der Lage sein, Änderungen automatisch vorherzusagen und vorzunehmen.

Wie aber hat die Software gelernt, dies zu tun? Hier kam nun das 3D-Scannen von Artec ins Spiel.

Mit den Evas und Leos konnte das Team die Körper einer großen Gruppe von Patienten genau erfassen, bevor die resultierenden 3D-Polygonnetze in Rhino 3D exportiert wurden. Rhino 3D ist eine CAD-Software, die für ihre Freiform-Modellierungswerkzeuge bekannt ist. Nach dem Import wurden die wichtigsten Merkmale der Modelle extrahiert und für die Prothesenanpassung zum Trainieren des prädiktiven Modells verwendet.

Obwohl sich Orthobroker noch in der Forschungs- und Entwicklungsphase befindet, soll der Algorithmus nach seiner Fertigstellung in eine Plattform integriert werden, die zur Beschleunigung des Entwurfs von Prothesenschäften verwendet werden kann.

Das Team ist davon überzeugt, dass Geschwindigkeit, Genauigkeit und Zugänglichkeit die Verbreitung des 3D-Scannens in Zukunft vorantreiben werden

„Normalerweise nehmen Kliniker Korrekturen an einer Form vor, bevor sie diese zur Herstellung der endgültigen Prothese verwenden. Doch 95 % der Korrekturen, die sie vornehmen, laufen bei vielen Patienten ähnlich ab“, so Saey. „Wir haben uns vorgenommen, diese Korrekturen allein anhand des Scans der betroffenen Gliedmaßen Patienten und einiger anderer Parameter vorherzusagen. Auf diese Weise müssen wir nicht mehr wie bisher stundenlang vor dem Computer sitzen, sondern können selbständig kleine, patientenspezifische Änderungen vornehmen.“

Die medizinische Zukunft des 3D-Scannens

Während Orthobroker weiter an der Feinabstimmung dieses KI-gestützten Vorhersagemodells arbeitet, setzt das Team von Mobilab & Care seine Suche nach weiteren Möglichkeiten, das Leben von Amputierten zu verbessern, fort. Was das 3D-Scannen betrifft, so ist Saey der Meinung, dass diese Technologie dabei eine wichtige Rolle spielt, aber sagt er auch, dass die Geräte schnell, genau und einfach zu handhaben sein müssen, um eine breite Akzeptanz zu finden.

Saey hat die Erfahrung gemacht, dass Artec 3D-Scanner in jedem dieser Bereiche die richtigen Kriterien erfüllen. Bei der Verarbeitung von Scans mit Artec Studio schätzt er besonders die Möglichkeit, selbst Hand anzulegen „mit den Bildern zu tun, was man will“ oder diesen Schritt mit dem Autopiloten des Programms zu automatisieren – eine ideale Funktion für Ärzte, die eine große Anzahl von Patienten scannen müssen.

Saey ist überzeugt, dass Artec Leo auch als Werkzeug für die Anpassung von Prothesen geeignet ist, da der Scanner den Körper eines Patienten mit einer Geschwindigkeit und Genauigkeit vermessen kann, wie sie mit den derzeit von Ärzten verwendeten Geräten nicht erreicht werden kann.

„Was wir in der Branche beobachten, ist, dass viele Unternehmen nach billigeren Alternativen suchen. Doch müssen sie die Nachteile dieser Geräte kennen, denn man kann nicht erwarten, dass die Scans dann noch dieselbe hohe Qualität aufweisen werden“, so Saey abschließend. „Wenn man Genauigkeit braucht, ist es wichtig, einen guten Scanner zu verwenden, denn wenn man Geräte in 3D drucken will und mit einem schlechten Scan beginnt, wird auch das Ergebnis schlecht. Ich denke also, dass das Abwägen ein wichtiger erster Schritt ist.“

„Im medizinischen Bereich gibt es sicherlich noch mehr Anwendungsbereiche, für die am 3D-Scans nutzen können. Ich denke, dass die Anpassung fast aller orthetischen Vorrichtungen vom 3D-Scannen profitieren könnte.“