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Simulation Virtuelle Anprobe von Prothesenschäften

Autor / Redakteur: Christoph Müller / Meike Herkersdorf

Für das Wohlbefinden von Amputationspatienten, die mit einer Prothese leben müssen, hat der Prothesenschaft eine entscheidende Bedeutung.Trotz hohem Aufwand für Herstellung und Anpassung des Schaftes, lassen sich Komplikationen vielfach nicht vermeiden. Im Forschungsprojekt C.O.P.K.O. wird versucht, die Passform von Prothesenschäften durch Simulationsmethoden zu verbessern.

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Druckspannungsvergleich zwischen Simulation und Messung.
Druckspannungsvergleich zwischen Simulation und Messung.
(Bild: CAPS/TU München)

Große Fortschritte bei der prothetischen Versorgung wurden vor allem bei den Gelenkkomponenten der Prothese erzielt. Dabei ist der wichtigste Teil einer Prothese der Prothesenschaft, denn er dient als ihre Verbindungsstelle mit dem Amputationsstumpf, d.h. mit dem menschlichen Körper. Von herausragender Bedeutung bei der Versorgung von Amputationspatienten ist daher die Konstruktion einer passgenauen Prothesenschaftform.

Die Herstellung und Anpassung des Prothesenschaftes erfolgt weitgehend in Handarbeit durch den Orthopädietechniker: Über einen Gipsabdruck bzw. Vermessung des Amputationsstumpfes mit anschließender Zweckformmodellierung wird ein Positivmodell des Schaftes erstellt. Damit wird im Tiefziehverfahren ein aus thermoplastischem Kunststoff bestehender Testschaft gefertigt. Dieser muss dann bei der Anprobe solange modifiziert werden, bis sich ein akzeptables Tragegefühl einstellt und die Passform aus orthopädietechnischer, medizinischer und biomechanischer Sicht als korrekt bewertet wird.

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Computerunterstützte Optimierung der Prothesenschaftkonstruktion

Trotz der Anfertigung zahlreicher Testschäfte – die an sich schon einen hohen Material- und Arbeitsaufwand benötigen – schätzen Experten, dass circa 60 % der Versorgungen nicht den erforderlichen Qualitätskriterien entsprechen. Dies führt bei Patienten nicht selten zu sekundären Krankheitserscheinungen oder Druckstellen, die eine Neuanpassung des Schaftes erfordern.

Ziel des Forschungsprojektes C.O.P.K.O. (Computerunterstützte Optimierung der Prothesenschaftkonstruktion in der Orthopädietechnik) ist es, einen Weg zu finden, um das „Anziehen“ eines Prothesenschaftes an einem Amputationsstumpf zu simulieren. Dabei sollen die Einflüsse einer Prothese numerisch ausgewertet und eine computergestützte Schaftoptimierung für die Anpassung der Prothese an den Patienten erforscht werden.

Wichtig ist eine sehr genaue Passform, da die Prothese am Stumpf über verschiedene Mechanismen (Unterdruck, Muskelkontraktion beim Gehen, Weichteilkompression) gehalten wird. Dabei gilt es, Druckstellen zu vermeiden. Erreicht werden soll dies mit Hilfe von FEM-Simulationen der Weichteildeformierung und der Interaktionskräfte zwischen dem Amputationsstumpfmodell und dem geplanten Prothesenschaftmodell.

Ziele des interdisziplären Forschungsprojektes C.O.P.K.O.

Die Forschungspartner des Projektes sind die Klinik und Poliklinik für Plastische- und Handchirurgie und die Klinik und Poliklinik für Orthopädie und Unfallchirurgie, die beide zum Klinikum rechts der Isar der TU München gehören. Als industrielle Partner sind CADFEM, F. Gottinger Orthopädietechnik und Materialise an C.O.P.K.O. beteiligt. Ein Dank gilt der Bayrischen Forschungsstiftung, die dieses Projekt mit dem Förderkennzeichen AZ-809-08 unterstützt.

  • 1. Optimierte Prothesenschäfte und weniger Nebenwirkungen:Während bei der herkömmlichen Herstellung immer nur eine Schaftform per Anprobe beim Patienten bewertet wird, können über eine computergestützte Optimierung Hunderte von Schaftvarianten unmittelbar nacheinander „virtuell anprobiert“ werden. Dabei kann davon ausgegangen werden, dass passende Schäfte in wesentlich kürzerer Zeit ermittelbar sind.
  • 2. Reproduzierbare und wirtschaftliche Versorgungsqualität: Die auf Erfahrung basierende Gestaltung des Schaftes ist nur bedingt wiederholbar. Ergebnisse und Qualität bei vergleichbaren Stumpfverhältnissen variieren demnach stark. Die Folge sind hohe und teure Fehlversorgungsraten. Diese können durch eine Schaftmodellierung auf Basis eines gegebenen Stumpfmodells und die objektive Bewertung durch Simulation vermieden werden.
  • 3. „Virtuelle Anprobe“ ohne den Patienten:Da bei der konventionellen Schaftgestaltung speziell die ersten Modelle optimiert werden müssen, kann die Anprobe am Anfang der Versorgung für den Amputierten eine belastende Situation darstellen. Eine „virtuelle Anprobe“ ohne die Anwesenheit des Patienten wäre somit in dieser Phase sehr wünschenswert.

Enge Kooperation und Vorgehensweise

Um diese Ziele zu erreichen, ist eine enge interdisziplinäre Zusammenarbeit notwendig, wobei die medizinische und technische Kompetenz durch die Vielfalt der Projektpartner gewährleistet wird. Als „Schnittstelle“ zwischen Simulationstechnik und Chirurgie agiert Alexander Volf, der am Projekt beteiligt und jeweils zu 50 % bei der CADFEM GmbH und bei der Forschungsgruppe CAPS des Klinikums rechts der Isar angestellt ist.

Zur Simulation der Weichteildeformationen am Amputationsstumpf mit FEM, werden als Eingangsgrößen die genaue Geometrie des Stumpfes sowie die Muskelmasse und der Knochen im Stumpf benötigt. Dafür werden MRT-Aufnahmen erstellt. Da dies liegend erfolgt, wird der Stumpf durch die Auflagefläche zunächst stark deformiert, was mit Hilfe eines Oberflächenscans im Stehen und eines vereinfachten FEM-Modells zurückgerechnet wird.

Virtuelle Anprobe – unterschiedliche Schaftvarianten werden simuliert

Die aus der Rückrechnung gewonnene Geometrie des Muskels lässt sich zusammen mit dem Oberflächenscan zur Erstellung eines genauen biomechanischen Modells des Stumpfes nutzen. Mit diesem Modell ist dann eine „virtuelle Anprobe“ durchführbar, indem unterschiedliche Schaftvarianten simuliert werden.

Das Ergebnis einer solchen Simulation ist die Druckverteilung am Stumpf für eine gegebene Schaftgeometrie. Diese kann nun am Bildschirm optimiert werden, bis eine definierte Druckverteilung, die einen guten Tragekomfort gewährleistet, erreicht wird.

Ergebnisse aus dem Forschungs- projekt

Im Rahmen des Forschungsprojektes wurde ein breites Probandenkollektiv retrospektiv untersucht. Dem MRT und dem Oberflächenscan folgten eine Ganganalyse und Druckmessungen im Schaft. Mit Hilfe dieser Daten wurden Modelle der Biomechanik des Stumpfes entwickelt, die sehr genaue Vorhersagen der Druckverhältnisse im Schaft ermöglichen.

Diese Modelle wurden dann bei einer kleineren Gruppe von Patienten prospektiv validiert. Dabei hat sich gezeigt, dass die Simulation die Biomechanik des Stumpfes gut vorhergesagt hat. Die erstellten Schaftgeometrien lassen auf gute weitere Ergebnisse hoffen.

Bei einigen Patienten ist es gelungen, direkt eine Ausgangsbasis zu schaffen, die dem konventionell erstellten Schaft, welcher über einen langen Zeitraum optimiert wurde, ebenbürtig war bzw. ihn sogar übertraf. (hö)

* Christoph Müller, CADFEM GmbH

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