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Passstücke und Exoskelette

von Sara Bertsche | 17.09.2014

Simple Varianten kennt man von ambitionierten, in ihren Absichten zwielichtigen Kapitänen der Weltmeere. Ob Hook mit seiner Eisenklaue, Ahab oder Long John Silver mit ihrem Holzbein – die Literatur hat sich immer wieder künstlicher Gliedmaßen bedient, um dem Aussehen an Körper und Seele versehrter Gestalten ein gut sichtbares Zeichen des Unheimlichen oder Grotesken hinzuzufügen. Vielleicht auch deshalb löst der künstliche Ersatz natürlicher Gliedmaßen noch immer Befremden aus. Dabei sind Medizin und Prothetik seit Jahrhunderten darum bemüht, funktional einen möglichst perfekten Ersatz für Arme, Beine oder Hände zu entwickeln. Nun geben neue Verfahren, die durch digitale Fabrikation möglich werden, Medizinern und Therapeuten Anlass zur Hoffnung auf Vervollkommnung. Insbesondere der 3D-Druck zeigt überraschende Möglichkeiten auf – von besseren Methoden bis hin zu beängstigenden Zukunftsutopien.

Ersatz und Vervollkommnung

Den erlittenen Verlust auszugleichen oder bestehende Fähigkeiten mittels technischer Apparaturen zu verbessern, hat Forscher und Entwickler seit jeher angespornt. Heute ermöglichen von Mikroprozessoren gesteuerte Prothesen komplexe Bewegungsabläufe, auch wenn die Wiederherstellung der Sinnesempfindung, des Gefühls, bis auf weiteres eine Zukunftsvision bleiben wird.
Während Wissenschaftler immer wieder mit Visionen eines perfekten biomechanischen Menschen für Aufsehen sorgen, bleibt die Lebenswirklichkeit von Menschen, die auf Prothesen angewiesen sind, zumeist ernüchternd. So berichtet etwa David Sengeh, Ingenieur für Biomechatronik am MIT (Massachusetts Institute of Technology), in seinem Vortrag „The sore problem of prosthetic limbs“, auf einer TED-Konferenz (www.ted.com) von den Zuständen in seiner Heimat Sierra Leone, in der noch heute die Folgen des zehn Jahre andauernden Bürgerkriegs spürbar sind. Viele haben im Kampf Arme oder Beine verloren oder wurden einer Zwangsamputation unterworfen – man schätzt die Zahl der Opfer auf 20.000. Wer von ihnen sich überhaupt eine Prothese leisten konnte, trägt sie oftmals nicht, so die Beobachtung von Sengeh. Dies liege häufig an dem Passteil des Prothesenschafts. Wird dieses nicht genau an den verbliebenen Stumpf angepasst, übt es Druck aus, verursacht Wunden und Schmerzen. Die Folge ist: Die Beweglichkeit wird eingeschränkt und der Patient verzichtet auf die Prothese, die ihm doch Erleichterung im Alltag verschaffen sollte.
Da jeder Stumpf anders geformt ist, werden die Passstücke der Prothesen hauptsächlich im Gussverfahren hergestellt, wobei sich die Hersteller nach festgelegten „Aufbau-Richtlinien“ richten. Dabei werden aus Körpergewicht, Stumpflänge und vorhandener Restmuskulatur Durchschnittswerte errechnet, die in die Herstellung des Prothesen-Passteils einfließen. Ein Verfahren, dass sich in der Praxis oft als schwierig erweist, treffen die Richtwerte doch lediglich auf zwei bis drei Prozent aller Patienten zu. Die Alternative, eine Maßanfertigung, kostet sehr viel Geld, was sich nur wenige der Opfer leisten können.

Maßgeschneidert aus dem 3D-Drucker

Hier versprechen neue Fertigungstechniken auf der Grundlage digitaler Fabrikation Abhilfe. David Sengeh hat mithilfe eines 3D-Drucks eine kostengünstige Methode gefunden, Amputierten zu einer maßgeschneiderten Prothese zu verhelfen. Durch eine Kernspin- oder Magnetresonanztopografie, kurz MRT, wird die Anatomie des Stumpfes exakt erfasst. Anschließend wird durch sogenanntes Finite Element Modeling (FEM), einem Berechnungsverfahren zur Festkörpersimulation, ein digitaler Bauplan erstellt, der die Ausgangsbasis für die Prothese bildet. Gefüttert mit diesen Daten, kann der 3D-Drucker nun ein individuell geformtes Passteil ausdrucken, das genau an die Beschaffenheit des individuellen Stumpfes angepasst ist und nur an jenen Stellen Druck durch verstärkte Wände ausübt, wo dieser benötigt wird.
Als Material wird ein thermoplastischer Biokunststoff eingesetzt, der im Schmelzschichtungsverfahren in die vorberechnete Form gebracht wird. Gemeinsam mit Hugh Herr, einem Professor für Biomechatronik am MIT, testet David Sengeh die so gefertigten Prothesen seit kurzem im medizinischen Labor des MIT – mit positiven Ergebnissen und begleitet von begeisterten Rückmeldungen der Patienten. Ebenfalls am MIT forscht die Architektin und Designerin Neri Oxman, die sich mit den Auswirkungen der digitalen Fabrikation auf Architektur und Produktdesign befasst. So hat sie zum Beispiel den „Carpal Skin“ entwickelt, einen 3D-gedruckten Handschuh, der genau auf die Anatomie des Patienten angepasst ist und durch unterschiedliche Materialstärken nur dort Druck ausübt, wo er benötigt wird. Er wird bei Patienten mit Karpaltunnelsyndrom eingesetzt, einer Nervenkrankheit, bei der Muskelatrophie an der Handwurzel auttreten kann. Beeindruckend ist der Handschuh auch in ästhetischer Hinsicht – Oxman lässt sich bei ihren Arbeiten oft von biologischen Strukturen inspirieren. Die Aussichten, dass sich der 3D-Druck im Bereich der Prothetik sinnvoll und zum Wohle der Patienten einsetzen lässt, sind durchaus vielversprechend. Und das gilt nicht nur für Exoprothesen, sondern auch für Implantate. So forscht man an der Washington State University nach einem geeigneten Knochenersatz, der insbesondere in der Zahnmedizin und zur Behandlung von Osteoporose benötigt wird. Mit einem ProMetal 3D-Drucker wird ein Implantat aus Silikon, Zink, Kalzium und Phosphat gedruckt, das als Gerüst für nachwachsende Knochen dienen soll.

Exoskelette unterstützen die Heilung

Vorteile des 3D-Drucks hat man auch in der orthopädischen Forschung erkannt. So begnügt man sich im Forschungszentrum des Kinderkrankenhauses Alfred I. duPont in Wilmington, Delaware nicht damit, Ersatz für einzelne Gliedmaßen zu entwickeln, sondern widmet sich mit der Herstellung neuer Exoskelette dem gesamten Körper. Diese sind besonders bei der Behandlung von Kindern wichtig, die unter Rückenmarksverletzung, Muskelatrophie oder Multipler Sklerose leiden. Damit Arme, Beine und der Rumpf bei Bewegungen unterstützt werden können, wurde das „Wilmington Robotic Exoskeleton“ entwickelt. Was futuristisch und etwas furchteinflößend klingt, erweist sich in der Praxis als ein Stützkorsett, bestehend aus 3D-gedruckten Elementen, Gummibändern und Metallklammern. Es kann wie eine Weste um den Patienten geschnallt oder an den Rollstuhl montiert werden. Die Passteile werden nicht, wie sonst üblich, aus Metall, sondern aus ABS-Kunststoff gefertigt und haben somit einen entscheidenden Vorteil: Sie sind leichter und können auf Basis der digitalen Datei, die dem 3D-Drucker als Bauplan dient, individuell geformt werden. Dadurch kann die Feinmotorik des Patienten besser unterstützt werden; auch Ermüdungserscheinungen der Muskeln werden reduziert. Aufgrund der Leichtigkeit des Materials kann das Exoskelett bereits bei Kleinkindern eingesetzt werden, die durch den größeren Bewegungsspielraum körperlich und kognitiv besser interagieren können und so ein kleines Stück Freiheit hinzugewinnen. Dass die 3D-gedruckten Exoskelette aus Kunststoff in der Produktion günstiger sind, als vergleichbare Exemplare aus Metall, erweist sich gerade bei Kindern als Vorteil. Da sie sich noch im Wachstum befinden, muss das Exoskelett öfter ausgetauscht werden.

HAL, die Mensch-Maschine

Auch im Rahmen von Rehabilitationsmaßnahmen könnte der 3D-Druck helfen, die Entwicklung passgenauer Exoskelette entscheidend vorantreiben, genauer gesagt im Bereich der Rehabilitationsrobotik. In den Vereinigten Staaten und in Japan werden derzeit klinische Studien mit Exoskeletten bei Patienten mit Lähmungserscheinungen durchgeführt. An der Tsukuba-Universität in Japan hat man in Zusammenarbeit mit der Firma Cyberdyne Inc. den ersten Roboteranzug mit dem prätentiösen Namen „Hybrid Assistive Limb“ – kurz HAL, wie der Supercomputer aus Stanley Kubriks Film „2001: A Space Odyssey“ –entwickelt. Es handelt sich um ein Ganzkörper-Exoskelett, dessen Gelenke mittels spezieller Elektromotoren angetrieben werden. Unterstützt von Modell „HAL 5“ kann ein Mensch fünfmal mehr an Gewicht heben als mit seiner natürlichen Muskelkraft. Alles Science Fiction? Nicht ganz. Die erste Versuchsreihe startete bereits 2012 in japanischen Krankenhäusern und läuft noch voraussichtlich bis 2015. Auch am Bochumer Universitätsklinikum Bergmannsheil sind die Roboteranzüge im Rahmen eines Forschungsprojektes bereits im Einsatz. Man verspricht sich dadurch neue Therapieansätze, etwa durch die Stimulierung der kognitiven Aktivitäten bei Patienten mit Rückenmarksverletzungen. Ein Exoskelett könnte bei entsprechendem Erfolg aber auch die Anzahl der Therapeuten minimieren oder Krankenschwestern beim Tragen oder Umbetten von Patienten helfen. Auch in diesem Fall könnten digitale Herstellungsverfahren mit 3D-Druckern zum Einsatz kommen. Um maximale Bewegungsfreiheit zu erzielen, müssen die Passelemente so leicht wie möglich und individuell geformt werden.

Der Mensch, ein verbessertes Modell?

Im medizinischen Bereich dienen Exoskelette hauptsächlich dazu, den Körper kranker und schwacher Menschen zu stabilisieren. Doch auch die militärische Forschung experimentiert mit solch hochtechnologischen Krücken. In diesem Fall sollen Defizite ganz anderer Art ausgeglichen und die Leistungsfähigkeit des gesunden Menschen verbessert werden, um Soldaten im Kampf überlegen zu machen – was die Frage nach einer verantwortungsvollen Anwendung digitaler Technologien aufwirft. DARPA, eine Behörde des Verteidigungsministeriums der Vereinigten Staaten, führt derzeit entsprechende Forschungsprojekte durch. Der sogenannte „Exosuit“ soll Soldaten das Tragen großer Gewichte erleichtern und ihnen im Kampfeinsatz zu überlegener Stärke verhelfen. Angeblich stelle die Energieversorgung über eine lange Zeit hinweg bei der Entwicklung das größte Problem dar. Der verbesserte Mensch befindet sich also nicht nur in der Medizin in der Entwicklung.

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Ein besserer Soldat mithilfe des gepanzerten Exoskelettes der United States Army. <br/>Foto © Daren Reehl
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Der medizinische Handschuh „Carpal Skin“ von Neri Oxman. <br/>Foto © Neri Oxman
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Das Exoskelett Hybrid Assistive Limb von Cyberdine wird noch bis 2015 in 130 japanischen Institutionen getestet. Foto © V. Daum / Bergmannsheil