Prothesen – Simulation mit Hand und Fuß

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Eine verlorene Hand, ein verlorener Fuß sind an sich schon ein Dilemma. Aus Piratenfilmen kennt man noch das Holzbein oder den Haken, der mehr oder weniger provisorisch an dem Stumpf befestigt wird. Denken wir nur an Captain Ahab aus Moby Dick. Zugegeben, kein Piratenfilm, aber das Holzbein stimmt.
Glücklicherweise bietet die Medizintechnik mit modernen Prothesen immer bessere Hilfsmittel. Oskar Pistorius startete 2012 als erster beidseitig beinamputierter Athlet bei den regulären Olympischen Sommerspielen und erreichte mit seinen Teamkameraden den achten Platz in der 4 x 400 m Staffel. Es müssen aber nicht gleich die High-Tech Prothesen eines Pistorius sein.

 

 

 

 

 

 

 

 

Abbildung 1 Moderne Hochleistungsprothesen

 

Ca. 90 % der Prothesen werden in der Medizintechnik noch herkömmlich von Orthopädie-Technikern von Hand gefertigt. Bei ca. 10% kommen 3D-Drucker zum Einsatz. Die Konstruktion erfolgt nicht anhand von Simulationstechnologien, sondern rein geometrisch anhand von gescannten Daten des Stumpfes. Wanddicken und Verrippungen werden nach Gefühl designt. Brechen Prothesen, wird aus der Erfahrung heraus verstärkt. Ein teurer Spaß für die Krankenkassen, ganz zu schweigen für den Besitzer der Prothese, der auf die ordentliche Funktion angewiesen ist.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abbildung 2 Prothesenschaft zur Aufnahme des Stumpfs
Finite-Elemente-Modell mit Darstellung der Spannungen

 

Schauen wir uns das Ganze aus dem Gesichtspunkt eines Berechnungsingenieurs für Simulationstechnologien an. Für eine Festigkeitsbewertung benötigt man die Belastung auch bei Bewegung. Das Kriterium des Orthopädie-Technikers ist nur das Körpergewicht. Das kann allein aber nicht ausreichend sein, zumal über die Lasteinleitung keinerlei Kenntnisse vorliegen.

Dass die Prothese halten muss ist klar, dass sie zudem bequem sein sollte, das ist schon weniger griffig. Wie will man das bewerten? Dabei kann man sich hier den Kontaktdruck zwischen Stumpf und Schaft zu Nutze machen. Und schon hat man ein Kriterium, auf das man zielgerichtet mit Simulationstechnologien optimieren kann. Die Last, ganz gleichmäßig verteilt ist zwar ein theoretisches Optimum, mit dem man aber bewerten kann. Optimal bedeutet hier, dass die Spannungsspitzen minimal sind.

Auch hier zeigt sich, dass in der Medizintechnik Simulationstechnologien noch nicht richtig angekommen sind. Es wird viel über Versuch und Empirik gemacht, Spannung, Ermüdungsfestigkeiten, Kontaktdruck sind dagegen eher Fremdwörter.

Vielleicht liegt das ja daran, dass Medizintechniker in mmHg denken. Eine sehr befremdliche Einheit für einen Druck oder eine Spannung, sagt zumindest mein Bereichsleiter Maik Brehm Diese Einheit sei schon vor seiner Geburt, nämlich ab dem 1. Januar 1978 nicht mehr allgemein zulässig.

 

Was können wir hier besser?

Im (leider nicht ganz billigen) Extremfall können wir einen im MRT vermessenen Stumpf mit Knochen, Muskeln und Gewebe in einen 3D-gedruckten Schaft stecken und solange über Simulationen optimieren, bis der Kontaktdruck über mehrere Belastungsszenarien (Stehen, Gehen, Springen, Beugen, etc.) ein Minimum erreicht.
Mit einem unserer Forschungsprojekte, ROAD3D, beschäftigen wir uns mit den ertragbaren Spannungen von 3D-gedruckten Bauteilen. In einem weiteren Forschungsthema beschäftigen wir uns mit der Simulation des menschlichen Körpers oder von Teilen davon. Optimale Voraussetzungen also für das richtige Know-How – auch für die Medizintechnik, bei Merkle & Partner.
Im bezahlbaren Fall untersuchen wir die Festigkeit über FEM Verfahren, bewerten und verstärken kritische Zonen und legen die Prothese ingenieurmäßig aus.
Dieser Prozess lässt sich weitgehend automatisieren und optimieren. Es muss auch nicht jede Prothese betrachtet werden, auch eine Kombination mit KI-Verfahren ist möglich. Allein die Kosteneinsparung durch die verlängerte Lebensdauer sollte bei größeren Stückzahlen den erforderlichen Aufwand amortisieren. Das macht Simulationstechnologien so wertvoll – nicht nur für die Medizintechnik.

 

Habe ich Ihre Neugierde geweckt?

Gerne informieren wir Sie unverbindlich über die Möglichkeiten in der modernen Simulationstechnologie. Schicken Sie uns mit dem nachstehenden Kontaktformular unter dem Stichwort „Prothese“ eine kurze Mail mit Ihren Kontaktdaten. Wir setzen uns dann schnellstmöglich mit Ihnen in Verbindung.

 

Ihr Stefan Merkle

 

PS: Auch das Thema Exoskelett ist uns nicht fremd

 

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