Arbeitsschritte 3D: Scannen, Zweckformhülle, Modell für 3D-Druck. (Bild: Merkle & Partner)
Herkömmliche Vorgehensweise beim Anfertigen einer Prothese. (Bild: Merkle & Partner)
Der Schaft einer Prothese ist das direkte Bindeglied zwischen Mensch und Prothesentechnik. Der Schaft bestimmt den Tragekomfort, sodass er gut angepasst und äußerst widerstandsfähig sein muss. Dafür sind das Belastungsgewicht des Trägers, der Kontaktdruck zwischen Stumpf und Schaft oder auch die Belastbarkeit bei Spannungsspitzen, wie beispielsweise beim Gehen oder Springen, elementar.
Gängige Produktionsarten
Prothesen werden bisher wie folgt gefertigt: Der Stumpf wird mit übergezogenem Liner, einer Art elastischem Strumpf, gescannt. Die Geometrie wird geglättet und Bewegungsfreiräume (Zweckform) vorgesehen. Das Modell des Stumpfes wird aus PU-Schaum gefräst und anschließend mit einem Thermoplast, wie beispielsweise PFA-Folien, überzogen oder mit Kohle- und Glasfasergewebe laminiert und mit Harz getränkt. Nach dem Aushärten werden die Kanten beschnitten und verschliffen. Der Faseranteil schwankt aufgrund der manuellen Fertigung sehr stark und liegt grob geschätzt zwischen 35 und 55 %.
Im Pulverbett entstehen die Prothesen. (Bild: Merkle & Partner)
Die additive Fertigung von Prothesen wird angesichts der derzeit wirtschaftlich sinnvoll einzusetzenden Materialien nur bei rund 5 % verwendet. Gedruckt wird im Pulverbettverfahren zum Beispiel mit PA12 oder PA11.
Konstruktion basiert auf Erfahrungswerten
Die Konstruktion erfolgt dabei auch beim 3D-Druck nicht unterstützt von Simulationstechnologien, sondern rein geometrisch anhand der gescannten Daten des Stumpfes. Wanddicken und elastische Zonen werden nach Erfahrungswerten designt. Hierzu gibt es Texturen, die nach Gefühl den entsprechenden Bereichen zugeordnet werden, wo beispielsweise bei einer Unterschenkelprothese der Schienbeinknochen aufhört, um die Prothese elastischer zu gestalten. Zulässige Spannungen oder Bibliotheken mit Steifigkeitsangaben der Texturen liegen nicht vor. Beim Bruch einer Prothese wird diese aus der Erfahrung heraus verstärkt.
Optimierung Schritt für Schritt
Die Lasteinleitung des Körpergewichts in die Prothese ist unbekannt, ebenso die Verteilung des Drucks. Drückt die Prothese nach Angaben des Patienten, wird bei thermoplastischen Gliedern der Kunststoff erwärmt und solange lokal gebogen, bis sie passt. Prothesen aus faserverstärkten Geweben oder aus dem 3D-Drucker können lediglich in einem sehr kleinen Rahmen korrigiert werden, da sie sonst brechen.
Technologien aus der Industrie nutzen
Arbeitsschritte 3D: Scannen, Zweckformhülle, Modell für 3D-Druck. (Bild: Merkle & Partner)
Simulationstechnologien aus Industrie und Automobiltechnik können dabei helfen, Prothesen noch besser auszulegen. Damit kann eine Prothese für einen im MRT vermessenen Stumpf mit Knochen, Muskeln und Gewebe bereits vor Produktion so optimiert werden, bis der Kontaktdruck über mehrere Belastungsszenarien wie Stehen, Gehen, Springen, Beugen möglichst gleichmäßig verteilt ist. Das Ingenieurbüro Merkle & Partner, Neckartailfingen, setzt Simulationsverfahren ein, um beispielsweise Wundauflagen für Dekubituspatienten zu optimieren. Auch Stellen im Körperinneren können betrachtet werden. Kritisch sind hier vor allem die Drücke und Spannungen im Gewebe im Bereich des Skeletts und der Knochen. Die Vorgehensweise lässt sich auch auf Skoliosepatienten erweitern, um mit Exoskeletten die Wirbelsäule wieder in die richtige Position zu bewegen, beziehungsweise das Skelett zu unterstützen.
Finite-Elemente-Modell mit Darstellung der Spannungen eines Prothesenschafts zur Aufnahme des Stumpfs. (Bild: Merkle & Partner)
Leider ist diese Vorgehensweise für die breite Anwendung in der Medizintechnik noch zu teuer, denn das Ableiten eines Berechnungsmodells aus MRT-Aufnahmen ist aktuell noch sehr aufwendig. Über Näherungswerte bei FEM-Verfahren können jedoch kritische Zonen bewertet sowie verstärkt und die Prothesen ingenieursmäßig präziser ausgelegt werden. Auch das subjektive Empfinden, wie der Tragekomfort einer Prothese, lässt sich objektiv bewerten und in Zahlen fassen. So kann gezielt eine Optimierung erfolgen, um gewünschte Eigenschaften einzustellen. Neben der Belastbarkeit des Schaftes an sich wurde so gezielt der Kontaktdruck zwischen Stumpf und Schaft angepasst. Die Belastung wird auf diese Weise gleichmäßig verteilt sowie das Tragegefühl der Prothese aber auch die Belastbarkeit enorm gesteigert.
Künstliche Intelligenz in der Produktentwicklung
Dabei helfen die Daten aus der Simulationsberechnung dem Prothesenhersteller, neue Erkenntnisse auch in die weitere Produktentwicklung einfließen zu lassen. Neben einzelnen Testphasen, in denen jeweilige Belastungen geprüft und die Prothese entsprechend optimiert wurde, können auch zusätzliche Technologien wie MRT dabei helfen, Produkte in der Medizintechnik individuell und bis zum potenziellen Optimum zu entwickeln.
Dieser Prozess ließe sich laut des Ingenieurbüros sogar weitgehend automatisieren, gegebenenfalls über die Kombination mit KI-Verfahren. Allein die Kosteneinsparung durch die verlängerte Lebensdauer sollte bei größeren Stückzahlen den erforderlichen Aufwand amortisieren. Das macht Simulationstechnologien nicht nur für die Medizintechnik zu einem wertvollen Instrument.
„In einem unserer Forschungsprojekte, ROAD3D, beschäftigen wir uns mit den ertragbaren Spannungen und der Lebensdauer von 3D-gedruckten Bauteilen. In einem weiteren Forschungsthema arbeiten wir mit der Simulation des menschlichen Körpers oder Teilen davon“, so Stefan Merkle, Geschäftsführer Merkle & Partner.
Das Spannende bei der Produktberechnung in der Simulationstechnik ist immer, Erkenntnisse zum Verbessern der Produkte zu gewinnen. Dabei werden Simulationsberechnungen in vielen Bereichen der Industrie bereits als behördlich anerkanntes Testing genutzt. Im Falle der Prothese ist die Simulation ein wichtiges Werkzeug, denn ein Testing kann im Normalfall bei einer individuell gefertigten Prothese nicht stattfinden. Das Versuchsfeld bleibt der Träger.
