Bionische Arm- und Handprothese mit 3D-Scanning

Paul Teupels bionische Hand- und Armprothese. (Foto: Sanitätshaus Klinz)

Bei seiner Geburt fehlt Paul Teupel ein Großteil seines linken Arms. Mithilfe von 3D-Scanning wurde eine bionische Prothese für ihn erstellt, mit der er heute sogar an einem Motorrad schrauben kann.

Im Laufe der Jahre bekam Paul Teupel viele Armprothesen, die erste bereits im Alter von drei Jahren. Nicht viel später erhielt er seinen zweiten künstlichen Arm: „Ein fürchterlicher Apparat, eine Art Doppelhaken, der an einem Schulterriemen befestigt war – umständlich zu tragen und sah scheußlich aus“, berichtet er. „Das brachte mich dazu, einige Jahre lang gar keine Prothese zu tragen.“ Mit zwölf Jahren bekam Teupel schließlich seine erste myoelektrische Prothese (mit einer Hand des Orthesen- und Prothesenherstellers Ottobock): ein Wendepunkt in seinem Leben, denn er konnte zum ersten Mal mit der linken Hand Dinge greifen und halten. Von diesem Tag an trug er seine Prothese jeden Tag. Mit seinem Arm konnte er den Ellbogen um 30 Grad anwinkeln. Das war zwar eine Verbesserung, ließ aber noch immer viele Wünsche offen. 

 Prothesen des frühen 20. Jahrhunderts aus der historischen Sammlung des Sanitätshauses Klinz. (Foto: Sanitätshaus Klinz)

Sanitätshaus als Partner

Bereits seit 1997 wird Paul Teupel vom Sanitätshaus Klinz in Bernburg betreut, der Teupel stets mit der modernsten Prothesentechnologie versorgt. Seit der Eröffnung des Sanitätshauses Klinz im Jahr 1990 hat Unternehmenschef Gerd Klinz den Ehrgeiz, Vorreiter für innovative Produkte und Patientenkomfort zu sein. Er möchte Produkte entwickeln, die seinen Patienten ein Maximum an Mobilität und Unabhängigkeit garantieren. Die Firma setzt im Arbeitsalltag Drehmaschinen, CNC-Fräsen, GFK, Gipsformen, Kleber sowie moderne Materialien, Tools und Technologien wie 3D-Scans und 3D-Druck, Kevlar und verschiedene Kunststoffe ein. Das Sanitätshaus hat mehrere Niederlassungen in Sachsen-Anhalt; die Kunden kommen allerdings auch aus anderen Teilen Deutschlands und reisen sogar aus dem Ausland an.

Neuartige Prothese bereits 2017 geplant

Orthopädietechniker Carsten Suhle wollte im Rahmen seiner Masterarbeit einen neuartigen Arm für Paul Teupel entwickeln. (Foto: Sanitätshaus Klinz)

Im Jahr 2017 plante der Orthopädietechniker Carsten Suhle Sanitätshaus Klinz im Rahmen seiner Masterarbeit einen neuartigen Arm für Paul Teupel zu entwickeln: „Wir machen dir einen Arm, der besser ist als alles, was du jemals gesehen oder ausprobiert hast! Was sagst du dazu?“ Teupel stimmte zu, und in enger Zusammenarbeit mit Suhle entstand der neue bionische Arm. 

Auf der Suche nach dem richtigen Scanner

Mit der Erfahrung des Experten, einem individuellen Designansatz und der neuesten 3D-Scan- und 3D-Drucktechnologien wurde bereits nach kurzer Zeit der erste Prototyp für Teupel konstruiert. Wochen vergingen, und die Prototypen kamen der Vorstellung, die Suhle im Kopf hatte, immer näher. Doch irgendwann stellte der Orthopädietechniker fest, dass nicht seine Vision ihn daran hinderte, optimale Ergebnisse zu erzielen, sondern einige der verwendeten Hilfsmittel. Das galt insbesondere für die 3D-Scanner, die sie zur Herstellung der 3D-Modelle von Teupels linkem Oberarm (dem Stumpf) einsetzten, um einen anatomisch perfekten neuen Arm zu entwerfen. Wenn die Verbindungspunkte und der Spielraum für eine ausreichende Beweglichkeit nicht exakt berechnet wurden, fehlte der Prothese nicht nur der Komfort, sondern auch die Funktionalität.

Große Unterschiede

„Der Körper führt am Tag Hunderte, wenn nicht gar Tausende von Bewegungen durch. Deshalb braucht Paul eine Prothese, die als Verlängerung seines Körpers fungiert und mit ihm harmoniert. Er soll schon nach kurzer Zeit sein Leben leben können, ohne an seinen Arm zu denken. „Bevor ich mit 3D-Scanning arbeitete“, erinnert sich Suhle, „konnte ich mir nicht vorstellen, dass es bei 3D-Scannern so große Unterschiede gibt… Ich dachte, ein Scanner ist ein Scanner. Ich glaubte, dass sie höchstens in ihrer Präzision und Aufnahmegeschwindigkeit etwas voneinander abweichen. In Wirklichkeit ist es manchmal so, als ob man eine billige Limousine mit einem Lamborghini vergleicht. Das Spektrum ist riesig… Du musst entscheiden, was für dich am wichtigsten ist. In unserem Fall ist es höchste Präzision, maximal saubere Daten und eine hohe Aufnahmegeschwindigkeit. Und natürlich muss auch die Nachbearbeitung einfach sein, damit sich die Scans rasch in einem 3D-Modell zusammenführen lassen, das weiterverarbeitet werden kann.“

Maria Köhlitz, orthopädische Designerin des Sanitätshauses Klinz, berichtet: „Wir haben in der Vergangenheit mehrere 3D-Scanner wie GO!Scan von Creaform und den Kinect 3D-Scanner getestet. Aber jeder getestete Scanner war entweder nicht präzise genug oder erreichte nicht die für die Aufnahmen benötigte Frame-Rate. „Wenn die Patienten sich also während des Scans bewegten, was immer wieder vorkommt, stoppten diese Scanner die Aufzeichnung, und wir mussten den betreffenden Bereich nochmal scannen. Oder die Ergebnisse waren so schlecht, dass das Editieren und Zusammenfügen in der Nachbearbeitung zu aufwendig war”, so Köhlitz.

Fehlerfreie Daten erforderlich

„Als ich mich anfangs nach 3D-Scannern umschaute“, erläutert Suhle, „glaubte ich, wir könnten die Schwächen des Scanners dadurch ausgleichen, dass wir in der Scan-Bearbeitung besser werden. Aber das funktionierte nicht. Wenn man schon mit fehlerhaften Daten anfängt, verbringt man oft Stunden um Stunden mit der Bearbeitung, und es wird trotzdem nicht perfekt“, fährt er fort. „Es ist wie bei einer Vase, die zerbricht und unter großem Zeitaufwand wieder zusammengeklebt wird. Sie sieht dann vielleicht auf Anhieb wie neu aus, aber wenn man näher hinschaut, sieht man die Bruchstellen. Es ist einfach besser, die Vase gar nicht erst fallen zu lassen.“

Suhle wurde klar, dass sie die Unterstützung von Spezialisten benötigten. Deshalb wandte er sich an den Artec Gold Certified Reseller KLIB, dessen erfahrene Techniker und Berater ihnen die professionellen 3D-Handscanner Eva und Space Spider von Artec vorstellten und Schulungen durchführten. Artec Eva ist ein 3D-Farbscanner für den Profibereich, der mit der gesundheitlich unbedenklichen Streifenlichtprojektion arbeitet. Er ist leicht und komfortabel zu bedienen und eignet sich ideal für die digitale Erfassung mittelgroßer Objekte wie Arme, Beine und dem menschlichen Körper. Eva bietet eine Punktgenauigkeit von bis zu 0,1 mm.

Präzise und schnell

Paul Teupel und die orthopädische Designerin Maria Köhlitz mit Artec Eva. (Foto: Sanitätshaus Klinz)

Artec Space Spider ist ein handgeführter 3D-Streifenlicht-Farbscanner, der sich besonders für die schnelle Aufnahme kleiner Objekte eignet. Während des digitalen Aufnahmeprozesses werden die Scandaten in Echtzeit an die Software Artec Studio übertragen. Zudem sind sowohl Eva als auch Space Spider nahtlos mit der Modellierungssoftware Geomagic Freeform integriert. 

Im Vergleich zum traditionellen Gipsabdruck spart der Scanner viel Zeit. Während der Arbeitsprozess hier zweieinhalb Stunden dauerte, war der Vorgang mit dem Scanner nach nur zwölf Minuten abgeschlossen. Zudem liefern die die 3D-Farbhandscanner besonders präzise Ergebnisse.

Voller Erfolg

Paul Teupels bionische Hand- und Armprothese. (Foto: Sanitätshaus Klinz)

Insgesamt dauerte es etwa zehn Monate von der Herstellung des ersten Prototyps bis zur Anpassung des fertigen Arms. Die Hand (bebionic) wurde bei Ottobock gekauft, während die Prothese selbst komplett von Carsten Suhle entworfen wurde. Sie wurde in Geomagic Freeform designt, in 3D ausgedruckt und besteht aus dem Kunststoff PA2200. Ein blaues Silikonpolster dient als Übergang zwischen der Prothese und dem Armstumpf von Teupel. Innerhalb der Prothese verlaufen Kabel und Drähte, die mit Sensoren auf Teupels Haut verbunden sind. Über die Muskelelektrizität (Myoelektrik) werden der neue Arm und die Hand bewegt. Das Funktionsprinzip ist einfach: Wenn Teupel an eine bestimmte Bewegung denkt, werden die Muskeln aktiviert, die den Arm normalerweise bewegen würden. Der Sensor nimmt die elektrischen Signale über die Hautsensoren auf und die Prothese bewegt sich und macht das, was Teupel will.

Teupel genießt die Bewegungsfreiheit, die ihm sein neuer bionischer Arm bietet. (Foto: Sanitätshaus Klinz)
 

Mit den Ergebnissen ist Teupel sehr zufrieden: „Mit der Entwicklung meines neuen Arms hat Carsten eine Wahnsinnsarbeit geleistet. Er hat ein Zweigelenksystem mit zwei Drehachsen erfunden, das einen Bewegungsradius von mehr als 90 Grad gestattet. Ich werde nie den Moment vergessen, als ich zum ersten Mal in meinem Leben mit meiner linken Hand ein Glas Wasser zum Mund heben und trinken konnte!”

Teupel will sich in seiner Bewegungsfreiheit nie wieder einschränken oder behindern lassen. Mittlerweile frönt er seiner großen Leidenschaft: dem Fahren und Restaurieren von Mopeds und Motorrädern. Seine neue bionische Arm- und Handprothese unterstützt ihn bei jedem Arbeitsschritt. Sie erlaubt ihm, nicht nur Schraubenzieher und Schraubenschlüssel, sondern auch kleine und große Teile zu halten. Die zehn Finger sind geschickt genug, um mit Beilagscheiben, Zündkerzen und all den Dingen zu hantieren, von denen er geträumt hat, seit er ein kleiner Junge war.

Weitere Projekte geplant

Teupel ist einer von mehr als 100 Patienten, die das Sanitätshaus Klinz gescannt und für die es hochmoderne orthopädische und prothetische Lösungen entwickelt hat. Maria Köhlitz dazu: „Anfangs schafften wir uns Artec Eva an, um die Arme und Beine unserer Patienten zu scannen. Und dafür ist der Scanner das perfekte Werkzeug. Dann wollten wir aber unser Spektrum erweitern und auch Produkte für Finger und kleine Gelenke herstellen. Deshalb kauften wir schließlich auch den Space Spider. Die Detailtiefe unserer Scans ist jetzt so beeindruckend, dass wir in unseren Scans sogar Fingerabdrücke perfekt erkennen können.” Die Krankenkassen übernehmen bundesweit die Kosten für 3D-Scans und -Drucke von Prothesen, da diese Verfahren den traditionellen Methoden der Orthesen- und Prothesenherstellung überlegen sind.