Forschungsthemen

Die Forschungsprojekte der Rehabtech Research Lab sind als industrielle Forschung im Allgemeinen auf eine Anwendung hin orientiert, jedoch vom Stadium einer Produktentwicklung deutlich entfernt. Die Mess- und Prüftechnik, oft in enger Zusammenarbeit mit universitären Einrichtungen entwickelt, wird innerhalb von Projekten eingesetzt und kann später, häufig in angepasster Form, auch in eine produktive Umgebung übertragen werden.

Mobilitätsuntersuchung an Oberschenkelamputierten

Simone Oehler, Martin Pusch, Marc Kraft

Einleitung

Seit der Kriegsopferversorgung von Amputierten war im Konsens zwischen Leistungserbringern und Kostenträgern ein typischer Versorgungszeitraum von 5 Jahren gängige Praxis. Dieser ist heute noch Grundlage für die beanspruchungsgerechte Auslegung und Prüfung von Prothesen. Darüber hinaus müssen für die Festlegung von Anforderungen an Prothesensysteme die Prothesenbeanspruchungen bekannt sein. Vor mehr als 35 Jahren wurden deshalb Messungen an Oberschenkelamputierten durchgeführt. Auf diesen Untersuchungen basiert noch heute die Norm zur Festigkeitsprüfung von Prothesen (ISO 10328). Im Zeitraum der letzten 35 Jahre hat sich jedoch die prothetische Versorgung grundlegend verändert. Heute verfügbare Prothesensysteme bieten eine deutlich höhere Funktionalität. Dies steigert die Patientenmobilität und damit sowohl die Einsatzhäufigkeit prothetischer Systeme als auch deren Beanspruchungen.

Material und Methode

Um die realen Beanspruchungen von Beinprothesen unter Alltagsbedingungen untersuchen zu können, wurden ein mobiles Dehnungsmessstreifen-basiertes Messsystem und Softwarekomponenten entwickelt, die in der Lage sind, in der Prothese wirkendeFEM-Simulation Messsystem Kräfte, Momente sowie Kniewinkel als Belastungszeitfunktionen über einen repräsentativen Zeitraum (ca. 18h pro Tag) zu erfassen, zu speichern und zu analysieren. Die Geometrie der Struktur des sogenannten Oktapod (Abb. 1) unterlag den Anforderungen eines stark begrenzten Bauraumes sowie statischer und dynamischer Haltbarkeit nach ISO 10328. Der Messbereich deckt bis zu 200 Nm Sagittal- bzw. Frontalmoment und bis zu 5 kN Vertikalkraft ab. Validiert wurde das System u.a. im Vergleich zu Kraftmessdosen und zeigte dabei Abweichungen von weniger als 3 % bezogen auf den Messbereich. Anzahl der Lastzyklen und Schritte in Mio pro JahrDie entwickelte Datenanalysesoftware ermöglicht durch ihren modularen Aufbau verschiedene Analysen. Eine statistische Analyse der Beanspruchung der Prothesenkomponenten ist mittels Histogrammen durchführbar. Zur Analyse der Gangmuster ermöglicht die Bereichsdetektion eine automatische Einteilung der Daten in einzelne Schritte. Die parameterbasierte Mustererkennung im Zeitbereich erlaubt darauf basierend die Erkennung verschiedener Gangmuster nach Häufigkeit und Dauer sowie die Analyse mustertypischer Belastungen. Für besonders hohe Belastungen ist eine Überlastdetektion implementiert. Die Messsysteme wurden für 1 Jahr bei 15 Oberschenkelamputierten (10 C-Leg-Trägern und 5 3R60-Trägern) eingebaut (Abb. 3). Bei der Probandenauswahl wurde darauf geachtet, dass Alter, Geschlecht und Mobilität eine möglichst große Bandbreite abdecken (Mobilitätsgrad 2 – 4). Um auch aufbaubezogene Rückschlüsse aus den Messdaten ziehen zu können, wurde zur Objektivierung des statischen Aufbaus das Aufbaumessgerät „L. A. S. A. R. Posture" eingesetzt.

Ergebnisse

Einbau MesssystemAbb. 2 zeigt die Gesamtzahl der Schritte bzw. Lastzyklen eines Jahres für alle 15 Probanden. Die Schrittzahl weist eine große Streuung zwischen den Probanden auf. Der Maximalwert von 2 Millionen Lastzyklen pro Jahr bedeutet für Komponenten, die nach ISO 10328 ausgelegt sind, eine Nutzungsdauer von weniger als 2 Jahren.

 

Dennoch versagt die Struktur der Prothese in der Regel auch nach 5 Jahren noch nicht, was darin begründet ist, dass ist Lasten der dynamischen Normprüfung in ihrer Kombination selten in dieser Höhe im Feld auftreten.

 

Es wurden darüber hinaus keine signifikanten Unterschiede der Anzahl der Schritte für verschiedene Jahreszeiten detektiert (Abb. 4), jedoch konnten signifikante Unterschiede zwischen der Schrittzahl an Wochentagen und am Wochenende detektiert werden.

 

 

Diskussion

Mit den Ergebnissen der einjährigen Studie an 15 Oberschenkelamputierten sind erstmals repräsentative Aussagen über die täglichen Aktivitäten, die Lastzyklen pro Tag und Saison mechanischen Beanspruchungen und die Anzahl der Lastzyklen über ein ganzes Jahr möglich. Dies sollte es erlauben, auf die erwartete Lebensdauer der Prothese zu extrapolieren sowie Parameter der internationalen Norm (ISO 10328) neu zu bewerten. So kann eine Korrelation zwischen moderner prothetischer Versorgung, Patientenaktivität (Mobilitätsgrad, Gewicht) und den daraus resultierenden Beanspruchungen in der Prothese hergestellt werden und zukünftig nutzungs- und beanspruchungsabhängig Einsatzzeiten festgelegt werden. Die detektierten Überlasten und verschleißrelevante Parameter könnten zukünftig sinnvolle Ergänzungsprüfungen darstellen. Das Projekt wurde am Fachgebiet Medizintechnik der TU Berlin durchgeführt und von der Otto Bock HealthCare GmbH drittmittelfinanziert. Es wird von der Rehabtech Research Lab GmbH in Zusammenarbeit mit der Otto Bock HealthCare GmbH weitergeführt.

Mobilitätsuntersuchung an Oberschenkelamputierten
Validierte Prüf- und Bewertungsmethoden für Knie-Orthesen Funktionsprüfung

David Hochmann, Marc Kraft

Einleitung

Das Ziel der Forschungsarbeit war es, einerseits Prüf- und Bewertungsverfahren für Knieorthesen zu entwickeln, die den hohen Anforderungen an Genauigkeit, Wiederholbarkeit und klinische Validität gerecht werden, und andererseits eine systematisch-methodische Herangehensweise für die Entwicklung von Laborprüfverfahren zu erproben. Dazu wurde eine generelle Methodik vorgeschlagen, die sich an der VDI-Richtlinie 2221 orientiert. Die wichtigsten Schritte sind in der Abbildung 1 dargestellt.
Wesentliche Schritte der Prüfverfahrenentwicklung

Messtechnische Untersuchung

Besondere Aufmerksamkeit wurde auf die messtechnische Erfassung der Wechselwirkungen zwischen Orthese und Weich-/Muskelgewebe gerichtet. Die Messdaten wurden mit Hilfe einer instrumentierten Orthese gewonnen. Dabei wurden die Zugkräfte in den Gurten mit eigenentwickelten Sensoren auf DMS-Basis und die Druckverteilung Messorthese und verwendete Sensorikin der Schelle mit einer kapazitiven Druckmessmatte gemessen, parallel dazu wurde der Verlauf des Orthesenwinkels mit integrierten Winkelsensoren aufgenommen. Daneben wurden die Biegemomente mit instrumentierten Anschlägen und die Orthesenverformung mit auf dem Rahmen aufgeklebten DMS erfasst. Die instrumentierte Orthese wurde in Zusammenarbeit mit der Charité Berlin im Rahmen einer klinischen Studie an 14 gesunden Probanden und 4 Patienten mit ACL-Ruptur eingesetzt. Durch die Erfassung der Gurtkräfte bei unterschiedlichen Aktivitäten entstand eine Datenbasis, mit der die Kraftübertragung zwischen Bein und Orthese zu jedem Zeitpunkt des Bewegungszyklus modelliert werden kann. Ergänzt wurde die Studie durch eine Probandenuntersuchung mit Hilfe einer an unterschiedliche Beinabmessungen anpassbaren Mess-Schelle. Dabei wurde die Korrelation des subjektiven Komfortempfindens mit der Druckverteilung in der Schelle und den Zugkräften in den Gurten in Abhängigkeit von Patienteneigenschaften und Applikationsort untersucht.

Prüfkonzept

Das gewählte Konzept der Funktionsprüfung von Knieorthesen besteht in der statischen Simulation der kritischer Phasen (für A/P-Translation - frühe mittlere Standphase, für Varus/Valgus und Innen/Außenrotation - initialer Bodenkontakt) Aufbau des Beinmodells (links), Gesamtansicht Funktionsprüfstand (rechts)des Gangvorgangs. Die Randbedingungen (relevante Belastungsrichtungen, Muskelanspannung, Gurtkräfte, Flexionswinkel etc.) lassen sich dabei aus durchgeführten klinischen Messungen bzw. aus der Literatur ableiten. Für die Nachbildung der Muskel/Weichteildeckung wurde ein Beinmodell mit steuerbarer Muskelaktivität nach Bilddaten des Visible-Human-Projektes entwickelt. Um ausschließlich die Orthese zu charakterisieren, wurde dabei
auf eine Nachbildung des Kniegelenks verzichtet. Die Muskel-Hüllen wurden entsprechend ihrer anatomischen Lage mit Tibia/Fibula und Femur aus PU-Hartschaum verklebt. In den Muskel-Hüllen befinden sich Druckschläuche, die die Muskelaktivität mittels Druckluft nachbilden und pneumatisch mit Hilfe von Stellventilen angesteuert werden. Das Weichgewebe ist durch ein Gelpolymer geeigneter Compliance und die Reibungseigenschaften der Haut durch einen geeigneten Überzug nachgebildet. Die entwickelte Belastungsvorrichtung auf Basis einer Universalmaterialprüfmaschine ermöglicht es, in festgelegten isolierten Bewegungsrichtungen definierte Belastungen auf die Orthese aufzubringen und dabei entstehende Kräfte/Momente sowie Wege/Winkel zu messen. Zur Wandlung der Translation in Rotation wurde auf Grund der geringen Fertigungskosten und der konstanten mathematischen Beziehung zwischen Vorschubkraft und Drehmoment ein umlaufender Seiltrieb ausgewählt, die Nachteile dieser Lösungsvariante wie der Einfluss der Seildehnung und höhere Reibungsverluste können durch einen Nullabgleich rechnerisch kompensiert werden.

 

Ergebnisse

Ergebnisse eines Vergleichs von 7 Orthesen bezogen auf A/P-Translation

 

Nach der Entwicklung, Erprobung und Optimierung der Prüftechnik wurden exemplarische Untersuchungen an unterschiedlichen Orthesen-Modellen durchgeführt.

 

Die Ergebnisse zeigen, dass die entwickelten Prüfverfahren eine trennscharfe und wiederholbare Bewertung von Knieorthesen ermöglichen.

 

Das Projekt wurde am Fachgebiet Medizintechnik der TU Berlin durchgeführt und von der Otto Bock Stiftung gefördert. Es wird von der Rehabtech Research Lab GmbH.


Validierte Prüf- und Bewertungsmethoden für Knie-Orthesen Funktionsprüfung
Additive Herstellungsverfahren von carbonfaserverstärkten orthopädischen Stützsystemen...

ADDcarbori

Additive Herstellungsverfahren von carbonfaserverstärkten orthopädischen Stützsystemen für die individuelle Patientenversorgung

Laufzeit: 01.11.2016 – 31.07.2019

Das Forschungsvorhaben der vier Verbundpartner hat das Ziel den digitalen Fertigungsprozess in der technischen Orthopädie zu etablieren.

Die Technologie der additiven Fertigung gilt hier als besonders vorteilhaft für eine individuelle und zugleich kosteneffiziente Fertigung. Neben der Erforschung der neuen Prozesstechnologie in dieser speziellen Anwendung ist auch die Materialforschung essentiell. Dabei werden die kostengünstigen
FDM-Verfahren (Fused Deposition Modeling) favorisiert und mit Endlosfasern kombiniert, um Bauteile mit hohen Festigkeiten herzustellen. So kann eine Alternative zu der aufwendigen und manuellen Laminiertechnik von Carbongewebe beziehungsweise Prepreg geschaffen werden.
Ein weiterer Forschungsschwerpunkt ist die Erfassung und die Verarbeitung der für die generative Fertigung notwendigen Daten für Orthesen oder Prothesenpassteile.
Das Verbundvorhaben gliedert sich dabei in folgende Teilbereiche, die interdisziplinär bearbeitet werden:

Rehabtech Research Lab GmbH und Fachgebiet Medizintechnik, Technische Universität Berlin:
Datenerfassung mit unterschiedlichen Scantechniken und deren Datenbearbeitung. Konstruktion und Prüfung.

Makea Industries GmbH und Fachgebiet Keramische Werkstoffe, Technische Universität Berlin:
Prozesstechnologie und Materialien.

Als Ergebnis des Projektes entsteht ein mehrachsiges robotergestütztes Drucksystem, das mit speziell erforschten endlosfaserverstärkten Materialien arbeitet, die hohe Festigkeiten bieten. Außerdem werden für den orthopädischen Anwendungsfall spezifische Scantechnologien erforscht.

Dieses Projekt wird kofinanziert durch den Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE).

Additive Herstellungsverfahren von carbonfaserverstärkten orthopädischen Stützsystemen...