Erstellung einer einzigartigen Prothese mit modernster Technologie von Artec 3D

Als Wolfgang K. in seinen Lieferwagen stieg und sich auf den Weg machte, dachte er nicht daran, dass sich dieser als vorerst letzter seiner Karriere erweisen sollte. An seinem ersten Halt, einem Baumarkt, lud er seine Lieferung aus und wartete auf den Gabelstapler, der die Kisten abtransportieren sollte. Dann ereignete sich der Unglücksfall.

Der Gabelstapler kollidierte mit Wolfgang, was zur Folge hatte, dass sein Fuß zertrümmert wurde. Die einzige Erinnerung an diesen Moment, ist das Gefühl eines Schlages auf den Rücken. Als er einige Zeit später aufwachte, litt er unter enormen Schmerzen, die von den massiven Schäden an seinem Fuß und Knöchel herrührten.

Das Krankenhaus behandelte und stabilisierte die unmittelbare Verletzung, doch in den kommenden Wochen und Monaten verschlimmerte sich die Entzündung. Wolfgang bat die Ärzte um eine Amputation seines Fußes, doch es dauerte weitere drei Jahre, bis dieser Schritt eingeleitet wurde. Die Entzündung hatte sich inzwischen in seinem Bein ausgebreitet und eine ausgedehnte Gewebsnekrose ausgelöst.

Wolfgangs Ärzte sahen sich schließlich gezwungen, sein Bein unterhalb des Knies zu amputieren. In den folgenden Wochen, nachdem die Schwellung des Stumpfes zurückgegangen war, wurde Wolfgang mit einer Übergangsprothese versorgt. Zu dieser Zeit sah er erstmals eine Anzeige der Sanitätshauses Klinz in Bernburg und wurde bald darauf deren Patient.

Der Patient mit seiner neuen und alten Prothese

Großer Bedarf an Prothesen weltweit

Angesichts der hohen Nachfrage an Prothesen, die die jährlich über 185.000 Amputationen allein in den USA und mehr als 1 Million weltweit mit sich bringen, haben Spezialisten Mühe Schritt zu halten.

Die traditionelle Methode zur Herstellung von Prothesenschäften, also der Teil, der die Schnittstelle zum Stumpf des Patienten bildet, erfordert Gipsabdrücke, langwierige Arbeit sowie Geschick und Erfahrung.

Obwohl die Fachleute im Sanitätshaus Klinz bei ihrer Arbeit weiterhin Gipsabdrücke und andere analoge Methoden verwenden, greifen sie bei besonders anspruchsvollen Projekten, die mit traditionellen Werkzeugen nicht zu bewältigen sind, häufig auf den 3D-Scanner Artec Eva von Artec 3D zurück.

Artec Eva ist ein professioneller handgeführter 3D-Scanner, der sich bei Ärzten und Tausenden anderen Personen auf der ganzen Welt großer Beliebtheit erfreut. Eva liefert schnell farbige 3D-Scans mit einer Genauigkeit von weniger als einem Millimeter und ist damit ideal für die Erfassung der organischen Oberflächenmaße von Stümpfen und anderen Körperteilen.

3D-Scan-Vorgang des Stumpfes eines Patienten mit Artec Eva

Für Projekte mit komplizierten Details, die ein Höchstmaß an Präzision erfordern, setzen die Spezialisten auch Artec Space Spider ein. Ursprünglich für den Einsatz auf der Internationalen Raumstation entwickelt, ist Space Spider eine beliebte Wahl bei Designern, Ingenieuren und Forschern in vielen verschiedenen Bereichen.

Ein völlig neues Prothesendesign wird erschaffen

Nachdem Wolfgang von dem Sanitätshaus Klinz bereits mit mehreren Prothesen versorgt wurde, erhielt er nun eine weitere, die er auch in der Dusche oder beim Schwimmen verwenden konnte. Eine solche Prothese muss sowohl wasserdicht als auch korrosionsbeständig sein, damit auch das sichere Baden in Salzwasser gewährleistet werden konnte. Als die Biomedizintechnikerin Lisa Pabst Wolfgangs Anfrage entgegennahm, unterbreitete sie ihm eine weitere Möglichkeit. Im gemeinsamen Gespräch stellte sich heraus, dass Wolfgangs große Leidenschaft das Tauchen war. So kam Pabstgemeinsam mit Wolfgang und ihrem Kollegen, dem Orthopädietechnikermeister Carsten Suhle, auf die Idee, eine Badeprothese in einer Form zu kreieren, die nicht nur den kosmetischen Ansprüchen Genüge tun sollte, sondern zeitgleich für den Wassersport geeignet sein sollte.

Auch nach dem Verlust seines Beins hatte Wolfgang seine Liebe zum Tauchen und zum Wasser nie aufgegeben, daher unterstützte er die Idee von Pabst.

„Wir wollten einen anderen Ansatz verfolgen, um zu sehen, ob es uns möglich ist, eine Prothese gemäß des neuen Entwurfs anzufertigen, anstatt nur eine bestehende Prothese anzupassen“, so Pabst.

Die neue Prothesenform, die die Möglichkeit bietet, den Fuß abzuwinkeln

Ihr Ziel war es, die Wasserbeständigkeit einer Badeprothese mit der kosmetischen Ästhetik zu kombinieren, sodass beim Tragen unter einer langen Hose niemand erkennen kann, dass sich darunter eine Prothese befindet. Alle kosmetischen Elemente der Prothese müssen die mechanischen Komponenten des Geräts abdecken und schützen.

Zur Inspiration für Ihren Entwurf sagt sie: „Wir kamen auf die Idee, einen Oktopus zu verwenden. Der Körper des Oktopus bedeckt den oberen Teil der Prothese, während die Tentakeln die Form des Unterschenkels nachbilden. Am Knöchel wurde ein verkleinerter Taucherhelm angebracht. Über die seitlichen Öffnungen des Helms kann das Sprunggelenk betätigt werden.“

Die neue Badeprothese im Einsatz beim Patienten

Gleichzeitig wissen Pabst und ihr Team, dass der wichtigste Teil jeder neuen Prothese die Form und die Passform des Schaftes ist. Sprich ein Teil, das für jeden einzelnen Patienten individuell ist. Selbst eine minimal unpassende Form kann oft zu Beschwerden des Patienten und biomechanischen Funktionsstörungen führen, was wiederum zu zukünftigen Verletzungen führt.

Im schlimmsten Fall kann ein schlecht sitzender Schaft bei einem Patienten zu Hautgeschwüren, Gleichgewichtsstörungen, Stürzen, chronischen Überlastungsschäden des Bewegungsapparats, Arthrose und mehr führen.

Um eine nahtlose Passform für den neuen Schaft zu erreichen, nutzte Pabst den 3D-Scanner Artec Eva, mit dem sie die gesamte Oberflächengeometrie von Wolfgangs Stumpf in weniger als einer Minute erfassen konnte. Pabst scannte auch sein anderes Bein, um dessen präzise Volumen- und Oberflächenmaße für die Form und Abmessungen der neuen Badeprothese zu nutzen.

Screenshot von Artec Studio: ein Scan des Stumpfes des Patienten

Direkt nach dem Scannen und vor dem Export der 3D-Polygonnetze in Geomagic Freeform wurden die Scans in der Software Artec Studio bearbeitet. Mit den intuitiven Werkzeugen der Software löschte Pabst alle überflüssigen Daten, einschließlich des Bodens und anderer Objekte in der Umgebung.

Screenshot von Artec Studio: ein Scan des kontralateralen Beins des Patienten

Die Scans wurden ausgerichtet und registriert und dann zu einem Objekt zusammengefügt. Anschließend wurde die Textur hochgeladen und auf das Polygonnetz angewendet. In Freeform entwarf Pabst den Prothesenschaft und gestaltete die kosmetischen Elemente des Designs.

Pabst kommentiert, wie hilfreich Eva in Verbindung mit Freeform ist: „Wenn ich einen Eva Scan in Freeform importiere, habe ich eine verlässliche Grundlage für meine prothetische Designarbeit. Eva braucht nur wenige Sekunden, um die exakten Körpermaße eines Patienten zu erfassen. Und in Freeform erstelle ich meine neuen Entwürfe auf der Grundlage dieser Maße.“

Geomagic Freeform Screenshot: ein Scan des kontralateralen Beins des Patienten und ein auf einem Scan basierenden Modell des Restbeins

Pabst weiter: „Besonders bei der Erstellung eines neuen Prothesenschaftes, der die einzigartige Form des Stumpfes eines Patienten perfekt umschließen und unterstützen muss, sollte jeder Millimeter der Oberfläche digital erfasst und in die Konstruktion einbezogen werden. Dies ist mit Artec Eva schnell und einfach möglich.“

Ihr Arbeitsablauf umfasste die folgenden Schritte: Nach dem Importieren und Anordnen des Polygonnetzes in Freeform modellierte sie den Beinstumpf von Wolfgangs. Bevor sie zu den weiteren Schritten überging, spiegelte sie sein kontralaterales Bein in Freeform. Anschließend baute sie den Prothesenschaft auf, formte ihn um zu einem Anschlussstück und bereitete das Design für die Funktionselemente vor.

Geomagic Freeform: Formung des Schaftes an das Anschlussstück und Anpassung des Entwurfs an die Funktionselemente der Prothese

Pabst formte dann die äußeren Abmessungen der Tentakeln nach den exakten Maßen von Wolfgangs anderem Bein, um den gleichen Gesamtumfang des Unterschenkels zu erreichen.

Gestaltung der Abmessungen der Tentakel anhand der Maße aus dem Scan des kontralateralen Beins

Dann fertigte Pabst die Saugnäpfe der Tentakel an und verband die einzelnen Elemente miteinander. Nach mehreren weiteren Arbeitsschritten prägte sie den Entwurf mit dem Klinz-Logo und dem Namen des Patienten.

Nachdem die äußeren Komponenten der neuen Prothese in 3D gedruckt worden waren, wurden sie mit den mechanischen Komponenten des Geräts zusammengefügt und fixiert. Schließlich wurde Wolfgang zur Anpassung in die Klinik geladen.

Die neue Prothese ist eingesetzt und einsatzbereit

Wolfgang ist sehr zufrieden mit der neuen Prothese und die Passform entspricht dem hohen Standard, der er bereits von seinen anderen Klinz-Prothesen gewohnt war. Auch seine Frau und seine Töchter sind beeindruckt, denn nun steht den Bade-Urlauben an der Ostsee nichts mehr im Wege.

Die Leistungsfähigkeit und das Potenzial des 3D-Scannens in der Orthopädie und Prosthetik

Verwendung eines haptischen Geräts mit Geomagic Freeform, um der neuen Badeprothese den Feinschliff zu verleihen

Pabst kommentiert die zentrale Rolle, die das 3D-Scannen mittlerweile im modernen Orthesen- und Prothesendesign eingenommen hat: „Wann immer Sie eine Orthese oder eine Prothese für den Ober- oder Unterkörper mit Hightech- oder Lowtech-Materialien herstellen müssen, benötigen Sie zunächst unbedingt genaue Messungen des Körpers des Patienten, an den die neue Vorrichtung angeschlossen werden soll. Ohne diese Grundlage, werden irgendwann ernsthafte Probleme auftreten, die von der Passform der Prothese bis hin zu den körperlichen Reaktionen des Patienten darauf reichen können. Da Artec Scans die Basis unseres Schaffens darstellen, ist jede Vorrichtung, eine exakte Spiegelung der andere Seite aus wie die kontralaterale Seite und ist eine natürliche Erweiterung des eigenen Körpers. Der Unterschied in unserer Arbeit dadurch ist wirklich signifikant.“