Der Aufbau am Beispiel der alpinen Ski-Handprothese ist modular, sodass an den schaft weitere Prothesen gekoppelt werden können. (Bildquelle: alle ZHAW)

Der Aufbau, hier ein Beispiel der alpinen Ski-Handprothese, ist modular, sodass an den schaft weitere Prothesen gekoppelt werden können. (Bildquelle: alle ZHAW)

Dies setzt voraus, dass die Prothesen als eine wesentliche Grundanforderung leicht und robust sein müssen. Als weitere Anforderung muss die Bedingung erfüllt werden, dass die Benutzung der Prothesen einfach und intuitiv ist und nach Möglichkeit wenig bis gar nicht trainiert werden muss. Insofern schließt dies die Ansteuerung über Muskelaktivität (Myoelektrik) aus. Aus verschiedenen Gründen wie beispielsweise das Körperwachstum, muss die Prothese einerseits adaptierbar sein und gleichzeitig kostengünstig in der Herstellung. Die verhältnismäßig geringen Herstellkosten erweitern nicht nur den Kreis der Anwender, sondern kommen auch dem Gesichtspunkt entgegen, dass die Prothese aus Gewichtsgründen nicht beliebig robust gebaut werden kann, sodass im Fall einer Beschädigung ein kostengünstiger und schneller Austausch erfolgen kann.

Konzept für modulare Prothesen

Ein weiterer wesentlicher Aspekt der Prothesen ist, dass nicht der Versuch unternommen wird, eine Universalprothese für alle in Frage kommenden Anwendungsfälle zur Verfügung stellen zu wollen. Nicht zuletzt aus den bereits genannten Gründen des geringen Gewichtes, der Einfachheit der Bedienung und besonders der zuverlässigen und qualitativ hochwertigen Funktionserfüllung wurde die Entwicklung von modularen, anwendungsspezifischen Handprothesen beschlossen, das heißt Prothesenlösungen mit einer dedizierten Anwendung wie beispielsweise Tennis spielen, Radfahren, Skifahren, Skilanglaufen oder alltägliche Arbeiten.

Der aktuelle Prototyp der Prothesenlösung mit beweglich gestal-tetem Daumen.

Der aktuelle Prototyp der Prothesenlösung mit beweglich gestal-tetem Daumen.

Diese Anwendungsszenarien erfordern ganz unterschiedliche Greifkräfte und Greifformen, die mit einer Universalprothese in einer leichten Ausführung und annähernd gleich schnellen und präzisen Betätigung wie mit einer gesunden Hand kaum realisiert werden können. Außerdem ist es illusorisch, mit einer funktionalen Handprothese den Anforderungen an eine vom Aussehen ästhetisch hochwertige Zierhand genügen zu können, womit zum Ausdruck gebracht werden soll, dass eine funktionale Handprothese vermutlich immer als ein technisches Gerät für den Ersatz der menschlichen Hand erkennbar sein wird. Das betrifft im Übrigen nicht nur das Aussehen, sondern beispielsweise ebenso die Art der Fingerbewegung.

Da es sich bei Handprothesen in der Regel um Kleinserien mit Stückzahlen in der Größenordnung von Hundert mit möglichweise individueller Ausprägung handelt, bietet sich für die Herstellung der Handprothesen ein additives Fertigungsverfahren wie das Fused Depostion Modelling, kurz FDM oder im allgemeinen Sprachgebrauch, der 3D-Druck an. Die für die Prothesen infrage kommenden Werkstoffe sind thermoplastische Kunststoffe wie PLA, ABS, TPE oder in näherer Zukunft kurzfaserverstärktes Polyamid. Die genannten unverstärkten Thermoplaste haben ein relativ geringes spezifisches Gewicht von ca. 1 bis 1.2 g/cm3 bei einer Festigkeit von 30 bis 50 MPa und einem Elastizitätsmodul von ca. 2.000 bis 3.000 MPa. Die mechanischen Eigenschaften wie Steifigkeit und Festigkeit liegen verglichen mit Aluminium zwar deutlich darunter, was aber durch eine angepasste konstruktive Gestaltung und Bauweise mindestens zum Teil kompensiert werden kann.

Weiteres Verbesserungspotenzial wird in der konstruktiven Gestaltung und Ausführung des Prothesenschaftes mit integriertem Universaladapter zur Befestigung der unterschiedlichen Funktionsprothesen gesehen. Auch hier werden Gesichtspunkte wie Adaptierbarkeit, Tragekomfort und Gewicht im Vordergrund stehen.

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Über die Autoren

Prof. Dr. Wilfried J. Elspass

lehrt an der ZHAW Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften, SoE School of Engineering, IMS Institut für Mechatronische Systeme in Zürich, Schweiz.

Fabian Schollenberger

arbeitet an der ZHAW Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften, SoE School of Engineering, IMS Institut für Mechatronische Systeme in Zürich, Schweiz.