Hochtechnologie in der Technischen Orthopädie besitzt viele Gesichter. Neben zeitgemäßen Materialien einschließlich verfügbarer Hochleistungsfasern, innovativen Fertigungstechniken eingebettet in digitale Fertigungsketten kommen zunehmend komplexere mechatronische Systeme und neuroelektronische Komponenten, die nicht nur am, sondern auch im menschlichen Körper zur Anwendung.
In den 80er-Jahren hielt die Carbonfaser Einzug in die Welt der Beinprothetik und revolutionierte das Feld durch eine bis dato nicht gekannte energetisch vorteilhafte Elastizität bei gleichzeitig geringem Gewicht und hoher Festigkeit (Wing et al 1989, Gitter et al 1991). Heute, fast vierzig Jahre später, ist der Faserverbund bei der Hilfsmittelversorgung nicht mehr wegzudenken.
3D-DRUCK IN DER TECHNISCHEN ORTHOPÄDIE
Die Verfügbarkeit innovativer Materialien wird begleitet von der Einführung modernster Fertigungsverfahren. Heutzutage nehmen additive Fertigungsverfahren – auch als 3D-Druck bekannt (Abb. 1) – einen immer höheren Stellenwert ein. Allerdings befindet sich diese Technologie trotz rasanter Fortschritte noch in den orthopädietechnischen „Kinderschuhen“.
Additive Fertigungsverfahren können heute die konventionellen Methoden der Carbonfaser- oder gar der Silikonverarbeitung in der Hilfsmittelversorgung noch nicht ersetzen. Darüber hinaus sind diese Verfahren zum Teil deutlich kostenintensiver als die konventionellen handwerklichen Methoden. Sie stellen jedoch eine Erweiterung des Portfolios dar und erlauben im Einzelfall völlig neue Gestaltungsvarianten mit bis vor einigen Jahren noch nicht vorstellbaren technischen Möglichkeiten.
Voraussetzung für die Nutzung der neuen Fertigungsverfahren war und ist die langsame, aber stetige digitale Transformation des Fachs. Oberflächenscans, die dreidimensionale digitale Abbilder anatomischer Strukturen ermöglichen, sind in verschiedenen Versorgungsbereichen bereits etabliert. Darauf aufbauend kann eine digitale Manipulation unter Berücksichtigung klinischer und biomechanischer, aber auch rein technischer Erfordernisse erfolgen – also quasi die Modellierung eines Köpers oder einer anatomischen Struktur am Computer. Hohe Reproduzierbarkeit und Transparenz sind große Vorteile des digitalen Versorgungsprozesses und kommen daher schon heute in vielen Teilgebieten regelhaft zum Einsatz (Abb. 2).
Aktuelle Ansätze dieser digitalen Arbeitsmethoden erlauben es den Orthopädietechniker*innen, ihr bisheriges Erfahrungswissen zu quantifizieren und somit nachvollziehbar zu machen. Dies bedeutet, dass Versorgungsergebnisse und Arbeitsschritte digitalisiert werden, um alltagstaugliche und biomechanisch erfolgreiche Grundprinzipien und Prozesse als eine Art Urmodell zu hinterlegen. Diese können dann an die jeweiligen individuellen Patientenbedürfnisse angepasst und optimiert werden. In der weiteren Entwicklung sollen intelligente Algorithmen auf dieser Basis die anatomische Ursprungsform und biomechanisch/klinische Zweck- oder Zielform des späteren Hilfsmittels (z. B. der Orthese) auf Basis vieler vergleichbarer Fälle weiter optimieren.
FACHLEUTE WERDEN AUCH IN ZUKUNFT BENÖTIGT
Bei allem technischen Fortschritt erscheint allerdings eine vollständige Automatisierung der individualisierten Hilfsmittelfertigung und -anpassung nach heutigem Stand sehr unwahrscheinlich. Da die klinische Situation der Patienten und deren individuelle Wünsche und Anforderungen nicht ohne weiteres quantifizierbar sind, wird die finale Entscheidung beim klinischen Experten verbleiben müssen. Auch wenn es ein perfekt passendes und einwandfrei funktionierendes Hilfsmittel ohne menschliches Zutun nicht geben wird, so können mit der digitalen Fertigungskette im Sinne der Optimierung und Effizienzsteigerung bereits heute gute Ausgangsprodukte zur Verfügung gestellt werden, die dann durch erfahrene Techniker*innen weiter an die Patientenbedürfnisse angepasst werden.
Daher haben nach wie vor auch geradezu historisch anmutende Methoden wie beispielhaft der Gipsabdruck noch einen hohen Stellenwert. Der Gipsabdruck ist zwar sicherlich für Patienten, je nach anatomischer Region mehr oder weniger belastend, aber er erlaubt eine direkte Manipulation und Stellungsanpassung während des Abdrucks. Eine Option, die mittels 3D-Scantechnik nur bedingt gegeben ist. Hier bestehen derzeit verschiedene Ansätze, mittels technischer Vorrichtungen, als sogenannte Scanhilfe die Hände des Orthopädietechnikers wenigstens kurzzeitig beim Scannen zu ersetzen.
Die vorgenannten Beispiele für den technologischen Fortschritt zeigen, dass es nicht nur um mechatronische Systeme, wie moderne elektronische Hände und Gelenke in Prothesen oder Orthesen geht, sondern auch um die vermeintlich schlichte Digitalisierung etablierter Handwerksschritte. In Zeiten von sich verschärfendem Fachkräftemangel sind digitale Fertigungstechnologien eine wichtige zukunftsweisende Maßnahme, ohne dabei die immens wichtige Expertise der Techniker* innen und deren Ausbildung zu vergessen. Im Gegenteil, moderne Technologien erlauben im Bereich der Technischen Orthopädie eine neue Ebene der Qualitätssicherung, Prozesstransparenz und -reproduzierbarkeit und schaffen gleichermaßen Valenzen, sodass Experten*innen mehr Zeit im persönlichen
Umgang mit ihren Patienten*innen erhalten.
HOCHTECHNOLOGIE AUS INDUSTRIE UND FORSCHUNG
Nicht nur in der handwerklichen Arbeit und in der Anpassung moderner orthopädischer Hilfsmittel zeigen sich rasante Fortschritt, auch industrielle Produkte entwickeln sich zunehmend in Richtung Hochtechnologie. Beispielhaft seien hier myoelektrische Armprothesen genannt, also Prothesen, die über die Ableitung elektrischer Aktivitäten von wenigen, noch am Stumpf vorhandenen Muskeln gesteuert werden. Während dieses Verfahren seine Ursprünge in den 60er Jahren des letzten Jahrhunderts hat, entwickelt sich deren Umsetzung und die Steuerung stetig weiter. Wurden die Muskelsignale in der Vergangenheit ausschließlich über Oberflächenelektroden abgeleitet, so werden heute weltweit große Anstrengungen unternommen, die Steuersignale direkt an Muskeln oder sogar an versorgenden Nerven abgreifen. Ziel ist nicht nur eine höhere Zuverlässigkeit und Nutzerfreundlichkeit der Steuerung und damit der gesamten Prothese, sondern langfristig die Umsetzung einer gezielten Ansteuerung einzelner Finger einer Multiartikulationsprothese. Auch werden neuerdings Ansätze entwickelt, die eine Ansteuerung direkt über Gehirnsignale andenken.
Speziell die Entwicklung von neuronalen Schnittstellen, wie hochselektiven Nervenelektroden, verspricht einen bisher nicht für möglich gehaltenen Grad der Funktionswiederherstellung. Mit dieser Technologie können nämlich nicht nur Signale der motorischen Fasern eines peripheren Nervens abgeleitet werden, sondern auch die sensiblen Fasern elektrisch stimuliert werden (Petrini et al 2019). In Verbindung mit einer mit Kraft- und Winkelsensoren ausgestatteten Prothese kann eine „fühlenden Prothese“ umgesetzt werden (Abb. 3). Die Wiederherstellung der Sensibilität ist aus vielerlei Gründen wichtig: Zum einen wird bei der Nutzung einer Beinprothese das Sturzrisiko deutlich vermindert, zum anderen zeigt sich ein verbessertes Gangbild. Die Prothese wird zudem von Anwender*innen nicht mehr als Fremdkörper, sondern als Teil des eigenen Körpers wahrgenommen. All dies erhöht den Alltagsnutzen und die Akzeptanz des Hilfsmittels.
Aus der Gehirnforschung weiß man darüber hinaus, dass das von vielen Menschen nach der Amputation berichtete Phänomen des Phantomschmerzes positiv durch die Nutzung einer Prothese beeinflussbar ist. Besonders beim Einsatz eines durch Armmuskelaktivitäten aktiv gesteuerten Prothesentyps findet sich bei deren Anwendern*innen eine deutliche Reorganisation der Nervennetzwerke im Gehirn mit einhergehender reduzierter Schmerzsymptomatik (Herta Flor 2002).
Allerdings ist anzumerken, dass die bisher aufgezählten Nervenimplantate bisher nur bei Einzelfallstudien im Rahmen von Forschungsprojekten eingesetzt wurden. Auch wenn einige Firmen eine Zulassung der implantierbaren Technologien anstreben, ist bei den aktuellen europäischen gesetzlichen Vorgaben der Medical Device Regulation (MDR) nicht von einer schnellen Markteinführung auszugehen. Es wird also noch dauern, bis die innovativen Systeme als Teil der Regelversorgung einer Prothese oder Orthese zur Verfügung stehen werden.
OPERATIVE MASSNAHMEN ZUR VERBESSERTEN PROTHESENSTEUERUNG
Im Gegensatz zu den erwähnten Implantaten zur Schaffung einer direkten neuralen Schnittstelle, haben sich mittlerweile andere operative Verfahren zur intuitiveren, gleichzeitigen Steuerung der vielen Freiheitsgrade von Armprothesen etabliert. In den späten 90er-Jahren von Dr. Kuiken aus Chicago mitentwickelt und von internationalen Gruppen übernommen wurde die sogenannte „Targeted Muscle Reinnervation“ (TMR) bei Menschen nach Amputationen des Oberarms oder einer Schulterexartikulation eingeführt (Kuiken et al 1995, Kuiken et al 2004).
Die TMR ist eine Operationsmethode, bei der intakte Armnerven, die ursprünglich beispielsweise für Finger-, Hand- oder Ellenbogenbewegungen der amputierten Gliedmaße zuständig waren, in segmentierte Muskelanteile des restlichen Stumpfes oder der Brust verlegt werden. Nachdem Nutzer*innen gelernt haben, diese Muskelanteile willkürlich und selektiv anzusteuern, können die elektrischen Muskelsignale mittels eines Mehrelektrodensystems abgegriffen werden, um eine direkte Ansteuerung der prothetischen Freiheitsgrade umzusetzen. Ergänzt werden kann dieses Prinzip auch von technischer Seite. Mittels Musterkennungsverfahren (engl. Pattern Recognition) können die Muskelaktivitätsmuster klassifiziert und in Steuersignale übersetzt werden. Unterschiedliche Muster können so zuverlässiger unterschiedlichen Steuerungsmechanismen zugeordnet werden, die Trainingszeit für das Erlernen der Steuerung sinkt. Bei deutlich gestiegener Intuitivität wird die Konzentrationsbelastung der Patienten*Innen deutlich reduziert, da keine Ersatzstrategien zur sequentiellen Umschaltung zwischen Komponenten (z. B. elektrischer Hand oder Ellenbogen) benötigt werden. Eine direkte und simultane Steuerung von mehreren Freiheitsgraden ist so möglich.
Dieses Beispiel zeigt, dass eine optimale Hilfsmittelversorgung gerade mit hochtechnologischen Lösungen ein interdisziplinäres Team bestehend aus Technikern, Ingenieuren, Therapeuten und chirurgischen sowie konservativen Medizinern voraussetzt.
dem ABLE-Exoskelett (Quelle: ABLE Motion, Barcelona, Spanien)
TECHNISCHE HILFSMITTEL FÜR DIE FUNKTIONSORIENTIERTE THERAPIE VON NEUROLOGISCHEN PATIENTEN
Zur Kompensation von lähmungsbedingten Funktionsausfällen nach Schädigungen des Nervensystems z. B. durch Schlaganfall, Rückenmarksläsionen oder bei Multipler Sklerose sind über die letzten Jahre einige neuartige verfügbar. Ein Beispiel sind Systeme zur Funktionellen Elektrostimulation (FES), bei denen über äußerlich eingebrachte elektrische Impulse gelähmte Muskulatur aktiviert und für einen Funktionsausführung genutzt werden kann. Anwendungsbeispiele sind die Stimulation der Fußhebemuskeln zur Kompensation eines Fallfußes nach Schlaganfall oder die Aktivierung von Unterarm- und Handmuskeln zur Wiederherstellung einer einfachen Greiffunktion bei Menschen mit einer hohen Querschnittlähmung (Rupp 2021).
Durch Fortschritte in den Bereichen Sensorik, Batterie- und Antriebstechnologie sowie Mikroprozessortechnologie sind inzwischen eine Reihe von aktiven Orthesen für die unteren Extremitäten verfügbar, welche von aktiv gedämpften Oberschenkelorthesen bis hin zu sogenannten Exoskeletten mit angetriebenen Hüft- und Kniegelenken reichen. Mit letzteren können selbst Menschen mit vollständigem Verlust der Beinfunktion Schritte ausführen. Allerdings steckt aus Nutzersicht die Tücke im Detail: So sind aktuelle Exoskelette aufgrund der mangelnden Eigenstabilität nur zusammen mit einem Gehbock oder Unterarmstützen verwendbar, was die Verwendung der Arme stark einschränkt (Abb. 4). Hinzu kommt eine komplizierte Steuerung, Schwierigkeiten beim selbständigen An- und Ablegen sowie eine begrenzte Reichweite, so dass es wie bei anderen High-Tech Hilfsmitteln noch ein weiter Weg ist, bis Exoskelette einen Rollstuhl vollständig überflüssig machen könnten und eine reelle Alltagstauglichkeit außerhalb eines
Therapiesettings erreichen.
Nun hat sich über die letzten Jahrzehnte die Erkenntnis durchgesetzt, dass mittels intensivem funktionsorientiertem Training Umorganisationsvorgänge im Nervensystem (Neuroplastizität) in Gang gesetzt und damit dauerhafte Funktionsverbesserungen erreicht werden können. Dies hat zur Einführung von robotischen, laufbandgestützten Trainingssystemen geführt, mit denen Betroffene in einer sicheren Umgebung viele Wiederholungen von Schrittbewegungen ausführen können. Ein besonderer Fokus des Trainings liegt in der Darbietung von Echtzeit-Informationen über die Qualität der Bewegungsausführung z. B. über spielerische Komponenten, um den Prozess des Bewegungslernen bei den auch in ihrer Sensibilität eingeschränkten Betroffenen zu verbessern (Rupp 2022).
Allerdings stehen diese Großgeräte nur in speziellen Kliniken und Zentren zur Verfügung, so dass die Qualität und die Quantität von funktionsspezifischen Therapien im ambulanten Bereich stark abnehmen. Exoskelette haben hier das Potenzial, die in der Klinik erreichten Fähigkeiten im häuslichen Umfeld durch die Betroffenen selbst weiter ausbauen zu können.
„Neben der wichtigen Risikoabwägung sind so auch Kosten-Nutzen-Analysen für die individuelle Indikationsstellung eines High-Tech Hilfsmittels wichtig.“
HIGH-TECH SYSTEME AUF DEM PRÜFSTAND
Gerade im Hinblick auf eine adäquate Ressourcennutzung, aber auch bei Beachtung aktueller regulatorischer und rechtlicher Anforderung erhält die Evaluation von Hilfsmitteln im Hinblick auf einen Patientennutzen eine immer größere Relevanz. Dies nicht zuletzt auch vor dem Hintergrund, dass einige der oben genannten High-Tech Systeme mit chirurgischen Interventionen einhergehen. Neben der wichtigen Risikoabwägung sind so auch Kosten-Nutzen-Analysen für die individuelle Indikationsstellung eines High-Tech Hilfsmittels wichtig. Hier liegt, je nach
Versorgungsbereich eine Stärke der modernen instrumentellen Bewegungsanalyse. Sie erlaubt es, nicht nur augenscheinliche Veränderungen des Gangbilds zu quantifizieren, sondern sie ermöglicht auch die zahlenmäßige Erfassung von nicht sichtbaren Kräften, Drehmomenten und Leistungsumsätzen. Damit wird nicht nur sichtbar gemacht, wie jemand sich bewegt, sondern auch „was“ ihn oder sie aus biomechanischer Sicht antreibt und wie sich die Lasten einzelner Strukturen in Abhängig vom Einsatz des Hilfsmittels darstellen (Abb. 6).
Diese Erkenntnisse und Prinzipien werden jedoch nicht nur als Diagnosewerkzeug in der Planung und Analyse von Versorgungen verwendet, sie finden auch ihren Weg in die Komponentenentwicklung hinein. So sind beispielsweise biomechanische Gangparameter in modernen Prothesenpassteilen hinterlegt. Bewegungs- und Lastzustände werden heutzutage im Labor ermittelt und als physikalische Größe in die Algorithmen der modernen Prothesenkomponenten implementiert, die wiederum mittels angepasster Messtechnik so Soll-/Ist-Zustände abgleichen können. Ziele sind sogenannte Smarte Orthesen oder Prothesen – also Hilfsmittel, die bis zu einem gewissen Grad „mitdenken“ und so vor allem die Sicherheit und die damit assoziierte Mobilität verbessern.
In modernen Orthesen und Prothesen implementierte Messtechnik kann zudem mit einer digitalen Gesundheitsanwendung verbunden werden, die z. B. im Rahmen einer postoperativen Therapie zur Visualisierung von Trainingsmethoden und für zielgerichtete Trainingsanweisungen genutzt werden kann. Die Kombination aus einer derart „intelligenten“ Orthese und der zugehörigen Anwendung kann zu einem verbesserten Rehabilitationsergebnis beitragen und den Heimtrainingsaspekt stützen. Dies zeigt, dass die Grenzen zwischen Alltagshilfsmittel und Trainings- bzw. Therapiegerät zum Teil fließend sind.
HOCHTECHNOLOGIE ALS MOTOR EINER VERBESSERTEN PATIENTENVERSORGUNG
Der technologische Fortschritt ist in der Technischen Orthopädie omnipräsent. Beginnend mit neuen Materialen, über innovative Fertigungsverfahren und digitale Prozessketten bis hin zu komplexen mechatronischen und neuroelektronischen Systemen, die zum Teil mit neuen Operationsverfahren einhergehen, stehen der Orthopädietechnik bereits heute erweiterte Möglichkeiten in der Versorgung zur Verfügung.
Inwieweit diese neuartigen Möglichkeiten langfristig zu einer verbesserten Patientenzufriedenheit und Lebensqualität führen, müssen zukünftige Studien auch unter ökonomischen Gesichtspunkten zeigen. Ein Blick auf die Veränderungen in der Technischen Orthopädie während der letzten Jahrzehnte unterstreicht die wichtige Bedeutung von intensiver Forschung, ohne die heute selbstverständliche Methoden und Produkte niemals hätten eingesetzt werden können
Literatur auf Anfrage bei der Redaktion presse@bvou.net