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Patente und Diplomarbeiten

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    Gehorthese Gehorthese Document Transcript

    • Jörg Hahn / Jens Schlesener Konzeption einer Gehorthese für Querschnittgelähmte Diese Diplomarbeit wurde am Fachbereich Maschinenbau der Fachhochschule Trier im Auftrag der Firma Medical Research and Development Patent GmbH & Co. KG im Zeitraum von Mai 1997 bis Oktober 1997 erstellt.
    • Wir begrüßen Sie zum ersten Kontakt mit der Diplomarbeit „Konzeption einer Gehorthese für Querschnittgelähmte. Diese Datei enthält einige Hinweise zur Nutzung der CD-Rom. Die einzelnen Dateien sind nach den Kapiteln der Diplomarbeit unterteilt: • kapO enthält die Einführung in die Diplomarbeit • kap 12 enthält die Kapitel „1. Einleitungquot; und Kapitel „2. Medizinische Grundlagenquot;, • kap3 enthält das Kapitel „3. Stand der Technik von Hilfsmitteln für Querschnittgelähmtequot;, • kap4 enthält das Kapitel „4. Werkstoffe im Orthesenbauquot;, • kap5 enthält das Kapitel „5. Ideenfindungquot;, • kap67 enthält die Kapitel „6. Detaillösungenquot; und Kapitel „7. Ausblickquot;, • danach folgt der „Anhangquot; im Ordner anhang Desweiteren sind auf dieser CD-Rom die während der Diplomarbeit erarbeiteten catia Model- Files der Detailkonstruktionen und der Lösungskonzepte gespeichert Die einzelnen Kapitel lassen sich mit MS-Word 7.0 öffnen. Die catia Model-Files wurden mit der Version catia 4.1.7 erstellt.
    • Konzeption einer Gehorthese für Ouerschnittgelähmte Erklärungen 1. Uns ist bekannt, daß die Diplomarbeit als Prüfungsleistung in das Eigentum des Landes Rheinland - Pfalz übergeht. Hiermit erklären wir unser Einverständnis, daß die Fachhochschule Trier diese Prüfungs- leistung von Studenten der Fachhochschule Trier einsehen lassen darf, und daß sie die Abschlußarbeit unter Nennung unserer Namen als Urheber veröffentlichen darf. 2. Wir erklären hiermit, daß wir diese Diplomarbeit selbständig verfaßt, noch nicht anderweitig für andere Prüfungszwecke vorgelegt, keine anderen als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt sowie wörtliche und sinngemäße Zitate als solche gekennzeichnet haben. Trier, den 24.10.97 Jörg Hahn Jens Schlesener Vorwort Jörg Hahn & Jens Schlesener
    • Konzeption einer Gehorthese für Querschnittgelähmte Im April 1997 hat der technische Geschäftsführer Friedrich Schmitt der Trierer Firma Medical Research and Development Patent GmbH & Co. KG (MRD) uns das Thema quot;Konzeption einer Gehorthese für Querschnittgelähmtequot; für eine Diplomarbeit vorge- schlagen. Da wir schon im Wintersemester 1995 / 1996 eine Konstruktionsarbeit aus dem Bereich der Medizintechnik ausgeführt haben, hatten wir an diesem Thema sofort Interesse. An dieser Stelle möchten wir uns bei allen, die uns bei dieser Arbeit unterstützt haben, bedanken; zuerst bei Herrn Prof. Dr. Ing. Michael Schuth für die Betreuung. Zudem stand er uns jederzeit mit seinem Rat zur Seite und half uns bei der Bewältigung von Problemen. Danken möchten wir der Firma MRD für die Aufgabenstellung und die interessanten Ideen beim Brainstorming. Des weiteren möchten wir uns bei Dr. med. Bremer, Oberarzt in der Orthopädischen Universitätsklinik Heidelberg, und den Orthopädietechnikern der Klinik bedanken. In Gesprächen beurteilten sie die einzelnen Lösungsvorschläge und zeigten uns Möglichkeiten zu Verbesserungen auf, die den Bedürfnissen der Behinderten vollends gerecht werden. Besonders dankbar sind wir Frank Schäfer, der durch seine offenen Gespräche und die von ihm geknüpften Kontakte uns vieles über die Bedürfnisse von Paraplegikern nahe bringen konnte. Auch war sein persönlicher Ehrgeiz und sein Engagement in dieser Sache immer wieder Ansporn für uns, unsere Arbeit weiter hartnäckig zu verfolgen. Durch ihn lernten wir auch Claudia Kübert und Gerd Kluth kennen. Sie vermittelten uns in zahlreichen Gesprächen ein Gespür für die Bewegungsabläufe beim Gehen von behinderten und gesunden Menschen und unterstützten uns jederzeit bei orthopädischen Problemen. Abschließend bedanken wir uns bei den zahlreichen Firmen, die uns Anschauungsmaterial zur Verfügung stellten. Sie sind namentlich im Anhang aufgeführt. Inhalt Seite Jörg Hahn & Jens Schlesener IV
    • Konzeption einer Gehorthese für Querschnittgelähmte Zusammenfassung _____________________________________________________ Vll 1. Einleitung __________________________________________________________ 1 1.1 Vorstellung der Firma MRD Patent GmbH & Co. KG __________________ 3 1.2 Zeitplanung __________________________________________________ 4 1.3 Zielsetzung ___________________________________________________ 6 1.4 Anforderungsliste: Orthese für Querschnittgelähmte ___________________ 10 2. Medizinische Grundlagen _____________________________________________ 13 2.1 Die Wirbelsäule _______________________________________________ 13 2.2 Das Rückenmark ______________________________________________ 14 2.3 Querschnittlähmung ____________________________________________ 16 2.4 Einstufung nach der Höhe der Rückenmarkschädigung _________________ 17 3. Stand der Technik von Hilfsmitteln für Querschnittgelähmte ________________ 19 3.1 Rollstühle ____________________________________________________ 19 3.2 Funktionelle Elektrostimulation und Neuroprothesen (Nerven aus Draht) ___ 20 3.3 Orthesen _____________________________________________________ 21 3.4 Reziproke Gehorthesen _________________________________________ 21 3.4.1 Die quot;LSU Reciprocation-Gait Orthosisquot; _____________________ 23 3.4.2 Die quot;Isozentrische ARGIOquot; ______________________________ 25 3.4.3 Der quot;Parawalkerquot; ______________________________________ 27 4. Werkstoffe im Orthesenbau ___________________________________________ 28 4.1 Polyethylen und Polypropylen ____________________________________ 29 4.2 Carbonfaserverstärkte Kunststoffe _________________________________ 30 4.3 Aluminium ___________________________________________________ 31 4.4 Edelstahl_____________________________________________________ 32 4.5 Titan ________________________________________________________ 32 4.6 Sonstige verwendete Materialien __________________________________ 33 5. Ideenfindung _______________________________________________________ 35 5.1 Problemdarstellung ____________________________________________ 36 Jörg Hahn & Jens Schlesener V
    • Konzeption einer Gehorthese für Querschnittgelähmte 5.2 Lösungsfindung _______________________________________________ 37 Vorstellung der Gesamtlösungen __________________________________ 42 5.3 5.3.1 Details, die alle Lösungen aufweisen ________________________ 42 5.4 Beschreibung der vier Lösungsvorschläge ___________________________ 43 5.4.1 Lösung 1: Gestänge-Hebelarmkombination mit Hydraulikantrieb __ 44 5.4.2 Lösung 2: Anatomische CFK-Schienen mit elektromotorischen Antrieben _____________________________________________ 47 5.4.3 Lösung 3: Seilzuggesteuerte Orthese mit elektromotorischen Antrieben _____________________________________________ 52 5.4.4 Lösung 4: Seilzuggesteuerte Orthese mit hydraulischen Antrieben _54 5.5 Vergleich der Lösungen _________________________________________ 60 5.6 Vergleichssystematik ___________________________________________ 65 5.7 Auswertung der Vergleichsystematik _______________________________ 67 6. Detaillösungen ______________________________________________________ 72 6.1 Das Hydrauliksystem ___________________________________________ 72 6.1.1 Experimentelle Ermittlung der notwendigen Längenänderungen __ 76 6.2 Aufnahme der Hydraulikzylinder __________________________________ 77 6.3 Anbindung der Bowdenzüge _____________________________________ 78 6.3.1 Plazierungen der Anbindungen __________________________________ 80 6.4 Führung der Bowdenzüge________________________________________ 81 6.5 Bandagen ____________________________________________________ 81 6.5.1 Individuelle Bandagenanpassung durch Klettverschlüsse _________ 81 7. Ausblick ___________________________________________________________ 84 Anhang ______________________________________________________________ 86 Anhang A: Primärenergieversorgung über einen Druckspeicher _____________ 86 Anhang B: Vorschläge zur Gestaltung der Steuerung bzw. Regelung _________ 87 Jörg Hahn & Jens Schlesener VI
    • ______________________ Konzeption einer Gehorthese für Querschnittgelähmte Anhang C: Kontakte zu Betroffenen, Medizinern und Krankengymnasten _____ 88 Anhang D: Firmen, zu denen im Verlaufe der Arbeit hilfreiche Kontakte geknüpft wurden _________________________________________ 89 Anhang E: Firmen, deren Produkte in der Diplomarbeit vorgeschlagen wurden _89 Anhang F: Quellenverzeichnis _______________________________________ 90 Anhang G: Diplomanden ___________________________________________ 93 Jörg Hahn & Jens Schlesener VII
    • Konzeption einer Gehorthese für Querschnittgelähmte Zusammenfassung Der erste Kontakt eines Studenten mit seiner Diplomarbeit ist die Überschrift des Themas, danach folgt meist eine kurze Erläuterung. Aufgrund dieser wenigen Informationen wird entschieden, ob das Thema der Fachrichtung entspricht, in der man später beruflich tätig sein möchte, und inwiefern das Thema für den jeweiligen Diplomanden genug Motivations-grundlage bietet, um die Diplomarbeit mit Erfolg abschließen zu können. Diese Zusammenfassung soll hierfür eine Entscheidungshilfe und Motivationsgrundlage sein. Die Trierer Firma MRD Patent GmbH & Co. KG hat das Thema quot;Konzeption einer Gehorthese für Querschnittgelähmtequot; im April 1997 angeboten und notwendige finanzielle Mittel zugesagt. Zu Beginn war eine umfangreiche Einarbeitung in die Thematik, speziell in den medizinischen Themenbereich Querschnittlähmung, erforderlich. Neben der üblichen Literaturrecherche wurden Kontakte zu Betroffenen, Firmen, Krankengymnasten und Ärzten geknüpft. In dieser Phase wurden die medizinischen Grundlagen erarbeitet, der Stand der Technik von reziproken Gehorthesen festgestellt und eine Vorauswahl an Werkstoffen getroffen. In zahlreichen Gesprächen mit Querschnittgelähmten wurden ihre Bedürfnisse an die Orthese bestimmt, damit nicht am Kunden vorbei konstruiert wird. Aus den Bedürfnissen entstanden zum einen Ideen, die konstruktiv umgesetzt wurden und zum anderen die Bewertungskriterien und deren Gewichtung innerhalb einer Konstruktionssystematik. In der Orthopädischen Universitätsklinik in Heidelberg wurden die Lösungsansätze mit Medizinern und Orthopädietechnikern besprochen, kritisiert und verbessert. Die krankengymnastische Abteilung der Rehabilitationsklinik Burg Landshut in Bild 1: Virtueller Bernkastei - Kues (RPL) hat uns beraten, in welchen Rahmen Computer - Dummy als erste Testperson ein Gehen mit der Gehorthese möglich ist und unsere Jörg Hahn & Jens Schlesener VIII
    • Konzeption einer Gehorthese für Querschnittgelähmte Lösungskonzepte in bezug auf die menschliche Anatomie überprüft. Die Lösungskonzepte wurden als Symboldarstellungen 3-dimensional mit CATIA gezeichnet. Dazu war es notwendig einen virtuellen Computer - Dummy zu entwickeln, an den die Orthese angepaßt werden komite. Der in Bild 1 dargestellte Computer - Dummy weist die wesentlichen physiologischen Merkmale - kräftiger Oberkörper gegenüber atrophierten Beinen - eines Querschnittgelähmten auf. Eines dieser Lösungskonzepte, das in Bild 2 dargestellte quot;Seilzuggesteuerte Orthese mit hydraulischen Antriebenquot; wurde durch eine Konstruktionssystematik zur Detailkonstruktion ausgewählt. Diese besteht aus einem System von Bandagen, das zur Einleitung bzw. Abstützung der Momente und zur Befestigung des Antriebes dient. Der Antrieb, der der menschlichen Anatomie nachempfunden ist, besteht aus hydraulischen Linearmotoren, deren Hubbewegungen über Seilzüge auf die Beine übertragen werden. Als Steuerung bzw. Regelung wird eine SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung) verwendet. Ihre Signale wirken auf Ventilblöcke, die die Energie des Druckmediums an die Antriebe verteilen. Strenggenommen ist an diesem Punkt das Thema der Diplomarbeit quot;Konzeption einer Gehorthese für Querschnittgelähmtequot; ausgefüllt. Als Schnittstelle für weiterführende Arbeiten wurde jedoch noch eine Detailrecherche durchgeführt, deren Ergebnisse im Kapitel quot;Detaillösungenquot; abschließend aufgeführt sind. Außer der Detailkonstruktion bietet sich für weitere Diplomarbeiten die Konstruktion der Energieversorgung und die Entwicklung der Steuerung bzw. Regelung der Bewegungsabläufe an. Ideen hierzu, die während dieser Arbeit entstanden sind, sind im Anhang aufgeführt. Bild 2: Seilzuggesteuerte
    • Orthese mit hydraulischen Antrieben Jörg Hahn & Jens Schlesener IX
    • Einleitung 1. Einleitung Vor etwa 35 Jahren führte eine Querschnittlähmung in der Regel innerhalb weniger Wochen oder Monate zum Tode des Betroffenen. Für die wenigen Überlebenden bedingte eine schwere Schädigung des Rückenmarks in jedem Fall einen lebenslangen Zustand der Hilflosigkeit und Pflegebedürftigkeit. Diese Situation hat sich mittlerweile grundlegend geändert. Es ist heute möglich, die überwiegende Mehrzahl der an Folgen einer schweren Erkrankung oder Verletzung des Rückenmarks Leidenden am Leben zu erhalten. Allerdings ergibt sich diese Verbesserung der Überlebenschancen nur unter der Voraussetzung, daß jeder Querschnittgelähmte sogleich und letztlich für sein ganzes Leben die erforderliche und in erheblichen Umfang spezialisierte Behandlung erfährt, und daß er selber konsequent die Regeln und Bedingungen beachtet, die die Behinderung und ihre Folgen von ihm fordern. In Deutschland sind jährlich etwa 1000 - 1200 Neuerkrankungen oder Verletzungen mit der Folge einer schweren Schädigung des Rückenmarks und hieraus resultierend einer Querschnittlähmung zu verzeichnen. Eingeschlossen in diese Zahl sind etwa 300 Kinder, die mit schweren Fehlbildungen des Rückenmarks und der Wirbelsäule (Spina bifida) geboren werden. In erster Linie sind Verkehrsunfälle für etwa 60 Prozent aller traumatischen Rückenmarkschädigungen verantwortlich. Bemerkenswert ist, daß die Mehrzahl von querschnittgelähmten Verkehrsopfern ihre Schädigung dadurch erleiden, daß sie aus dem Kraftfahrzeug heraus- oder im Fahrzeugraum umhergeschleudert werden. Unter mehr als 1000 durch Kraftfahrzeugunfälle querschnittgelähmten Personen hatten weniger als 10 in einem mit Nackenstützen ausgestatteten Auto einen korrekten Sicherheitsgurt getragen. In den letzten Jahren hat die Zahl der Querschnittlähmungen durch Moped- und Motorradunfälle deutlich zugenommen. Zu erwähnen ist schließlich die Tatsache, daß bei mehr als der Hälfte der durch Verkehrsunfälle verursachten Querschnittlähmungen dem Alkoholmißbrauch eine mitverursachende Rolle zugeschrieben werden muß. Des weiteren kommt es nicht selten in Folge von Sport- und Spielunfällen zur Querschnittlähmung. Als Ursache zu nennen sind hier insbesondere Badeunfälle (Kopfsprünge in unbekannte Gewässer und Sprünge vom Seitenrand öffentlicher Jörg Hahn & Jens Schlesener 1
    • ________________________________________________________________ Einleitunfi Schwimmbäder), Unfälle beim Trampolinturnen, beim Reiten und Skifahren. Von Querschnittlähmungen als Folge von Unfällen am Arbeitsplatz sind insbesondere Personen betroffen, die in der Landwirtschaft (Stürze von der Leiter oder vom Baum, Verletzungen durch Landmaschinen), im Baugewerbe (Stürze von Baugerüsten oder in Baugruben hinein) und im Untertagebau tätig sind. Neben den keineswegs seltenen häuslichen Unfällen, von denen vor allem Hausfrauen und ältere Personen betroffen sind, spielen bedauerlicherweise Selbsttötungs- und Fremdtötungsversuche als Ursachen von Querschnittlähmungen eine erhebliche Rolle. Eine Querschnittlähmung kann auch durch Entzündungen des Rückenmarks und der Wirbelsäule, Tumoren oder neurologischen Systemerkrankungen (Multiple Sklerose) hervorgerufen werden [1]. Querschnittgelähmte sind je nach Krankheitsbild auf Hilfsmittel zur Rehabilitation und zur Bewältigung des Alltages angewiesen. Die Orthopädietechnik bietet hier eine Vielzahl von Orthesen an, die den Querschnittgelähmten bezogen auf sein Krankheitsbild in seinem Umfeld beweglicher machen sollen und seine physische Konstitution erhalten oder sogar verbessern sollen. Diese Orthesen sind oft schwierig zu handhaben. Das Gehen eines Querschnittgelähmten mit einem sogenannten reziproken Apparat ist nur sehr begrenzt möglich. Ein großes Problem hierbei sind die sehr begrenzten Kräfte des Betroffenen, zumal es sehr schwierig ist, diese Kräfte, in der Regel die Kräfte des Oberkörpers, für eine Gehorthese zu nutzen. Hier soll, ausgehend von bestehenden Systemen, mit weiterem technischen Einsatz eine Verbesserung erzielt werden. Im Rahmen dieser Konstruktion wird das Konzept für den Prototypen einer Gehorthese für Querschnittgelähmte erstellt. Bei der Konzeption der Orthese wird vom Krankheitsbild eines einzelnen Querschnittgelähmten, der sich als Versuchsperson angeboten hat, ausgegangen. Die Orthese muß, wie es in der Orthopädie üblich ist, individuell an den Betroffenen angepaßt werden. Sie soll durch einen externen Antrieb und eine externe Energieversorgung den Gang des Querschnittgelähmten unterstützen. Diese Möglichkeiten werden optional in der Konstruktion berücksichtigt, so daß ein Antrieb einfach adaptiert werden kann. Jörg Hahn & Jens Schlesener 2
    • 1.1 Vorstellung der Firma MRD Patent GmbH & Co. KG Forschung und Entwicklung im medizinisch-technischen Bereich sind die wesentlichen Arbeitsinhalte des 1995 von Friedrich Schmitt gegründeten MRD' Unternehmens Medical Research and Development Patent GmbH & Co. KG. Zur Zeit beschäftigt die Firma MRD 11 fest angestellte Mitarbeiter. Neben den fest angestellten Mitarbeitern unterstützen ständig etwa 20 Fachleute von Hochschulen und Instituten die Firma MRD. Die MRD Beschäftigten kommen aus den unterschiedlichsten Berufsfeldern, z.B. Ingenieure für bio-medizinische Technik, Ingenieure für Maschinenbau oder ein Schreiner. Bei MRD steht die Fähigkeit, Dinge zu durchschauen, im Vordergrund. Durch die Mischung unterschiedlicher beruflicher Fähigkeiten wird die innovative Arbeit gefördert. MRD erzielt mit diesem Konzept beachtliche Erfolge. Derzeit hält die Firma 23 Patente und belegt damit auf dem rheinland-pfälzischen Patentindex des vergangenen Jahres Platz zwei hinter der BASF. MRD hat bisher folgende Produkte von der Patentanmeldung bis zur Marktreife entwickelt: • MRD Möbelsystem EVOLUTION (Bild 1 und 2) • MRD Zytostatika-Sicherheitswerkbank Zyto Safe® MRD hält unter anderem Patente für folgende Produkte: • Luftreinigungsanlage • Anti-Schnarch-Klammer • Herzklappe Ein Produktbeispiel ist das Möbelsystem EVOLUTION, ein Einrichtungssystem für Praxen, Krankenhäuser etc. Es ist ein Modulsystem, bei dem die Knotenstücke, die jeweils nur so viele Gewindebohrungen aufweisen wie für die Verbindung nötig sind, mit 3 Jörg Hahn & Jens Schlesener
    • Einleitung Rundrohren verbunden werden (Bild 1.1). Die Flächenwerkstoffe können nach Gefallen und Verwendungszweck z.B. für Schränke, Schreibtische oder Empfangstresen ausgewählt werden (Bild 1.2). Die patentierte Konstruktion erlaubt den problemlosen Austausch aller Teile auch ohne Demontage. Bild 1.1 :Die Knotenstücke werden mit Rundrohren verbunden Bild 1.2: Ein Anwendungsbeispiel von 1.2 Zeitplanung FVOT T TTTfYN Das Hochschulgesetz sieht für eine Diplomarbeit, die reibungslos abläuft, einen Zeitraum von 26 Wochen vor. Das ist in diesem Fall die Zeit vom 24.04. - 24.10.1997. Die Verteilung der Arbeitszeit in Wochen veranschaulicht folgender Zeitplan: Berechnung der Gesamtarbeitsstundenzahl: • Im oben genannten Zeitraum liegen 124 Arbeitstage. • Es wird eine durchschnittliche Arbeitszeit von 8 Stunden pro Tag berechnet. • Die Zeit wird zu 2/3 von beiden Studenten gemeinsam, und zu 1/3 jeweils einzeln genutzt. Jörg Hahn & Jens Schlesener 4
    • Einleitung Daraus ergibt sich die Gesamtstundenzahl: 124 Arbeitstage x 8 Stundei}4,„ x 1.5 * 1300 Stunden Tag Stand: Do. 25.09.97 Arbeitsabschnitt Kalenderwoche 1997 Mai Juni Juli August September 2 2 i i 2 2 2 7 8 3 3 2 3 3 4 4 2 3 3 3 3 4 4 3 3 2 6 9 8 0 3 5 7 S 4 3 5 0 3 1 1 4 6 9 1 2 0 2 2 Layout der einzelnen Kapitel Recherche Erarbeiten d. medi- zinischen Thematik Auswertung der Recherche Gliederung Konstruktion Ideenflndung Detailrecherche Werkstoffauswahl Zwischen- präsentation CAD Endgültiges Layout 1 2 1 7 7 7 i 3 4 4 4 3 3 4 4 1 3 3 3 3 3 3 ? 7 l 1 2 3 4 7 8 9 9 1 2 2 6 0 3 8 0 1 8 9 5 7 1 0 6 5 Juli Mai Juni August September Der Zeitplan beginnt mit einer umfangreichen Recherche, weil die Thematik „Konzeption einer Gehorthese für Querschnittgelähmtequot; für die Firma MRD und uns eine ganz neue Herausforderung ist. Daran schließt sich eine Einarbeitungs- und Auswertungsphase an. Nach 11 Wochen beginnt die Konstruktionsphase mit der Ideenflndung zu konkreten Lösungsansätzen. In der 19. Woche findet eine Zwischenpräsentation statt. Hier wird mit Herrn Prof. Dr. M. Schuth und der Firma MRD abgeklärt, welche Lösungsansätze detailliert werden. Die Konstruktionsphase beinhaltet neben der Werkstoffauswahl und der Jörg Hahn & Jens Schlesener 5
    • Einleitung Ausarbeitung mit dem CAD Programm CATIA einige Detailkonstruktionen als Schnittstelle zu weiterführenden Arbeiten. Bis zum Ende der Konstruktionsphase wird parallel zu den Ausarbeitungen das Layout der fertigen Kapitel vorgearbeitet. Der Zeitplan endet mit einem zweiwöchigen Zeitraum, in dem die Diplomarbeit endgültig zu Papier gebracht wird. 1.3 Zielsetzung Im Brainstorming werden zu Beginn der Arbeit die Assoziationen aller Beteiligten zum Thema „Konzeption einer Gehorthese für Querschnittgelähmtequot; festgehalten. Hieraus ergibt sich der größtmögliche Rahmen des Projektes mit vielen Möglichkeiten, die zwar denkbar, jedoch in ihrer Vielfalt nicht realisierbar sind. Abgesehen davon, daß in dieser Diplomarbeit die Konzeption des mechanischen Gestells gefordert ist, wird nachfolgend stichpunktartig der gesamte Umfang der ersten Ideenfindung dargestellt, um einen Gesamteindruck über das Ausmaß des Projektes zu gewinnen. Ideen zur Recherche: • Literatur • Internet • Patentrecherche • Befragung der Betroffenen; hauptsächlich Paraplegiker (Paraplegie = Querschnittlähmung bei voller Funktion der Arme) • Unterstützung durch Paraplegiker Verbände und Vereine • Unterstützung durch Kliniken und Rehabilitationszentren • Unterstützung durch Orthopädie-Techniker • Unterstützung durch Werkstätten der Orthopädietechnik • Unterstützung durch Hersteller orthopädisch technischer Werkstoffe, Gelenke und Schienen Jörg Hahn & Jens Schlesener 6
    • Einleitung Ideen zu Funktionen: • Die Orthese soll es dem Querschnittgelähmten ermöglichen, für einen bestimmten Zeitraum selbständig zu gehen. • Die Orthese soll die Stützfunktionen aus dem Zusammenspiel von Skelett und Muskeln eines gesunden Menschen ersetzen. • Die Othese soll die gleiche Steifigkeit aufweisen wie der menschliche Körper. • Die Orthese muß mit einem Antrieb und einer Energiequelle versehen werden, um die fehlende Beinkraft zu ersetzen. • Die Orthese kann mit einem künstlichen Gleichgewichtssinn versehen werden. • Die Handhabung der Orthese könnte über ein Bussystem mit einer SPS (speicherprogrammierbare Steuerung) gesteuert werden. Ideen zum Aufbau: • Die Orthese kann aus Schalen, die den Kontakt zum Körper herstellen, und aus orthopädischen Schienen und Gelenken zusammengesetzt werden. • Das funktionsfähige menschliche Skelett soll mit seiner Stützfunktion und seinen Gelenken komplett integriert werden. • Aufbau als „mechanische Hosequot;: Ein Gestell, in das der Querschnittgelähmte von der Brust an bis einschließlich der Füße integriert wird. • Aufbau als „mechanische Shortsquot;: Ein Gestell wie die mechanische Hose, das nur bis zu den Knien alle Funktionen (z.B. Funktionen zum Antrieb oder zur Unterstützung des Gleichgewichtes) erfüllt. Weiter abwärts hat die Orthese nur noch Stützfunktion, und es ist keine Adaption weiterer Funktionen unterhalb der Kniegelenke möglich. • Aufbau als „mechanische Shortsquot;: Die Orthese endet unterhalb der Kniegelenke. Das Sprunggelenk wird durch einen orthopädischen Schuh abgestützt. Die Bewegung des Unterschenkels wird wie bei einer Oberschenkelprothese erzeugt. • Alle Varianten sollen direkt an die Anatomie des Querschnittgelähmten angepaßt werden. • Der Betroffene soll in der Lage sein, die Orthese selbst anzulegen. • Die Orthese soll über ein System von Schnellverschlüssen einfach in der Handhabung sein. Ideen zu Werkstoffen: Jörg Hahn & Jens Schlesener 7
    • Einleitung • Alle Werkstoffe müssen nach Möglichkeit äußerst leicht sein, hohe Festigkeit und hohe Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Hier können Werkstoffe, wie sie im Segelsport verwendet werden, mit ihren äußerst beständigen Eigenschaften und zusätzlicher Leichtbauweise verwendet werden • Einzeln angepaßte Schalen können aus modernen Verbundwerkstoffen, wie Carbon- oder Glasfaser verstärkte Werkstoffe, hergestellt werden. • Für die Gelenke kann Edelstahl oder Titan verwendet werden. • Für Stützschienen kann Aluminium oder Titan verwendet werden. Ideen zum Einsatzort: • Einsatz innerhalb der eigenen Wohnung: Hier kann evtl. auch während des Gebrauches eine Aufladung der Energieversorgung stattfinden. • Einsatz im Freien: Hier muß das Überwinden von schon kleinsten Hindernissen, wie unebener oder weicher Untergrund berücksichtigt werden. • Einsatz für Rehabilitationszwecke, also ausschließlich im Rahmen ärztlicher Behandlung • Vom Einsatzort ist die Dauer des Einsatzes mitbeeinflußt. Ideen zur Energieversorgung und Energieübertragung: • Die Energieversorgung soll am Körper getragen werden. Dazu muß sie leicht sein und darf keine Gefahr darstellen. • Es soll keine Energie „verschenktquot; werden. So soll Gewicht gespart werden. Nach Möglichkeit soll versucht werden, Energie zurück zu gewinnen. • Nutzung der Wärmeenergie des Körpers über einen Wärmetauscher • Rückgewinnung von Energie beim Auftreten durch einen „Schuhsohlengeneratorquot; • Einbeziehen des körpereigenen Biogases in den Energiehaushalt • Die Leistungsfähigkeit der Arme soll in vollem Umfang genutzt werden. • Energie aus einem Drucklufttank ist mechanisch einfach zu verteilen. • Energie durch einen Verbrennungsmotor, der auf dem Rücken getragen werden kann: Vorteilhaft ist hierbei die hohe Energiedichte der Treibstoffe. Bei der Verwendung von Wasserstoff fallen sogar störende Abgase weg. Aus dem Modellbau können hierfür Erfahrungen übernommen werden. Jörg Hahn & Jens Schlesener 8
    • Einleitung • Elektrische Energie ist über eine SPS und ein Bussystem einfach zu steuern und am Körper zu verteilen. • Elektrische Energie kann auf vielerlei Weise bereitgestellt werden: a) Durch leistungsfähige Akkus, wie sie bei Heimwerkerwerkzeugen zu finden sind b) In der eigenen Wohnung ist eine Energieversorgung über ein Oberleitungssystem wie bei Straßenbahnen denkbar. Hierüber kann während der Nutzung gleichzeitig ein Akku wieder aufgeladen werden. c) Im Auto ist das Aufladen eines Akkus über einen Anschluß am Zigarettenanzünder denkbar. d) Bei Gebrauch im Freien und bei Sonnenschein kann Energie über eine mit Solarzellen bestückte Jacke erfolgen. Beim Brainstorming ist Kritik gegen einen Lösungsansatz nicht zugelassen. Da diese Auflistung das Ergebnis eines Brainstorming ist, beinhaltet sie nur Vorteile zur Nutzung der Vorschläge, obwohl bei vielen Vorschlägen sich Kritik insbesondere hinsichtlich der Realisierbarkeit aufdrängt. Um bei der Arbeit zu einem guten Ergebnis gelangen zu können, muß also, so gut wie dies im Vorfeld möglich ist, abgewägt werden, welche Inhalte wirklich realisierbar sind und den Rahmen einer Diplomarbeit sinnvoll ausfüllen. Nach dieser Abwägung ist das Lastenheft im folgenden Abschnitt entstanden. 1.4 Anforderungsliste: Orthese für Querschnittgelähmte Jörg Hahn & Jens Schlesener 9
    • E in Stand: leitung F=Forderung, W=Wunsch 03.07.1997 Ander. Anforderungen Verantw. F/ W Zweck: - Hauptproblem: Querschnittlähmung (Paraplegie) - Gehhilfe für Querschnittgelähmte F - Stützen des Körpers - Durch externen Antrieb wird aufrechter Gang ermöglicht F a) - mit fremder Hilfe W a) - ohne fremde Hilfe F a) - in der Ebene W a) - Treppe W a) - auf verschiedenem Untergrund - Erhöhen der Selbständigkeit —> Erhöhen des Selbstwertgefühls Stand der Technik: - Patentrecherche läuft MRD 01.07.97 - Patente über angetriebene Orthesen existieren nicht MRD Markt: - siehe Recherche Zielgruppe: 03.07.97 - Querschnittgelähmte, Reha-Zentren - Paraplegiker Anzahl: - ein Prototyp für Christian Elbeshausen (C.E.) Zus.- w Arbeit mit C.E. Produktausführung: F - individuelle Anfertigung F - Gesamtgeometrie wird durch Patienten bestimmt W - Gewicht soll der atrophierten Muskelmasse entsprechen W - Menschlicher Gang, v ca. 0,8 m/s Kräfte: - Masse des Körpers - Trägheitskräfte - (Druckkräfte nimmt Skelett teilweise auf) Ander. F/ Anforderungen Verantw. W Jörg Hahn & Jens Schlesener 10
    • w - Laufzeit: 2h/Tag über 30 Jahre ~>21900h ->79*10A6 Schritte w - Steifigkeit soll der des Knochen entsprechen Energie: - (gesunder Mensch kann kurzfristig 500W leisten) - nötige Bewegungsenergie + Verluste der Übertragung - Energiezufuhr und -Umformung wird nicht im Detail behandelt 03.07.97 W - Konstruktive Lösung der Energieumformung Stoff: - Patient, (Skelett, Muskeln, Sehnen) - Gerüst (GFK, CFK, AI, Ti, usw.) Signal: - Bewegungsbefehle des Patienten zur Regelung - von der Regelung zur Energiequelle - von der Energiequelle zu den Antrieben - von den Antrieben zur Regelung Sicherheit: - Einhaltung des Medizinproduktegesetz bzw. Richtlinie 03.07.97 W 93/42 EWG Ergonomie: - Bedienung: a) einmaliger Reiz ruft gespeicherten Bewegungsablauf auf b) andauernder Reiz für den Bewegungsablauf - Form: Anlehnung an natürlichen Körperbau W - mit fremder Hilfe anzuziehen F - ohne fremde Hilfe anzuziehen W - Gleichgewichtserhalt mit Unterarmstützen 03.07.97 F - Gleichgewichtserhalt ohne Unterarmstützen 03.07.97 W Fertigung: - einzeln angefertigte Schalen - gleichbleibende Teile wie Gelenke usw. sind Standardteile Kontrolle: - Probelauf und Softwareverifikation Montage: - nach Anfertigung der Formteile Fertigmontage in der Werkstatt Jörg Hahn & Jens Schlesener 11
    • Einleitung Ander. Anforderungen Verantw. F/ W Gebrauch: F - bis Ende des Lebensdauerzyklus W - Tod des Patienten, danach recyclen -Ort: F a) innerhalb geschlossener Räume W a) außerhalb geschlossener Räume Emissionen: - Lärm (mechanische Geräusche), andere je nach Antrieb Instandhaltung: - nach gewisser Stundenzahl Sichtkontrolle der einzelnen Komponenten Kosten: - Entwicklungkosten MRD - Herstellungskosten u.FH - Materialkosten Termine: F - siehe Zeitplan Jörg Hahn & Jens Schlesener 12
    • Medizinische Grundlagen 2. Medizinische Grundlagen In den folgenden vier Abschnitten werden die Wirbelsäule des Menschen und das Rückenmark beschrieben. Des weiteren wird eine Basis geschaffen, um das Thema Querschnittlähmung auch medizinisch zu begreifen. 2.1 Die Wirbelsäule Bild 2.1: Die Wirbelsäule des Menschen (Columna vertebralis) mit Bezeichnung der einzelnen Abschnitte und Wirbel In Bild 2.1 ist die Wirbelsäule des Menschen dargestellt. Oben befinden sich die sieben Halswirbel Cl - C7 (Vertebrae cervicales I -VII). Weiter oben sind keine Wirbelelemente mehr. Hier mündet das verlängerte Rückenmark (Medulla oblangata) in den Jörg Hahn & Jens Schlesener 13
    • Medizinische Grundlagen Schädelknochen und stellt so die Verbindung zum Gehirn her. Unter den Halswirbeln schließen sich die zwölf Brustwirbel an (Vertebrae thoracicae I - XII). Bei einer Schädigung (Läsion) des Rückenmarks in diesem Bereich spricht man von einer thoracalen Lähmung. Unter den Brustwirbeln befinden sich die fünf Lendenwirbel (Vertebrae lumbales I -V). Bei Läsionen in diesem Bereich spricht man von lumbaler Lähmung. Der unterste Abschnitt der Wirbelsäule ist das Steißbein (Os sacrum). Die Wirbelelemente sind hier zu einem Knochen zusammengewachsen. Im Querschnitt der Wirbelsäule ist der Wirbelkanal (Canalis vertebralis) zu erkennen. In diesem Kanal verläuft das Rückenmark. Es wird durch die Wirbelsäule vor Verletzungen geschützt und zugleich im flexiblen Wirbelkanal geführt. 2.2 Das Rückenmark Das Rückenmark (Medulla spinalis) ist im Bild 2.2 farblich hervorgehoben. Es ist ein langer dicker Strang von Nervenfasern und Nervenzellen sowie Bindegewebe im Rückenmarkskanal (Canalis vertebralis) der Wirbelsäule. Es wird in die gleichen Abschnitte (cervical-, thoracal-, vertebral- und sacral Abschnitt) wie die Wirbelsäule unterteilt. Die Abschnitte sind im Bild 2.2 gelb, rot, blau und weiß hervorgehoben. Eine weitere Unterteilung des Rückenmarks - den Wirbeln entsprechend - erfolgt in sogenannte Rückenmarksegmente. Eine Besonderheit der acht Halsmarksegmente (Segmenta cervicalia I -VIII) liegt in der Anzahl acht gegenüber den sieben Halswirbeln. Zusammen mit dem Gehirn bildet das Rückenmark das Zentralnervensystem. Die Verbindung zwischen Gehirn und Rückenmark ist das verlängerte Mark (Medulla oblangata). Das Rückenmark erfährt in der Wachstumsphase eine Positionsänderung in Bezug auf die knöchernen Strukturen. Dies geht anschaulich aus Bild 2.2 hervor. Die einzelnen Rückenmarksegmente enden auf der Höhe des 2. Lendenwirbels. Ab dem 2. Lendenwirbel besteht es nur noch aus nervösen Leitungsverbindungen (Cauda equina = Pferdeschwanz). Die Aufgabe des Rückenmarks besteht einerseits in der Herstellung der nervösen Leitungsverbindungen zwischen Gehirn und Körperperipherie, andererseits in der Bildung von Reflexzentren sowie Schaltneuronen zur Koordination einfacher motorischer Bewegungsabläufe. Jedem Wirbel wird ein Segment des Rückenmarks zugeordnet. Es Jörg Hahn & Jens Schlesener 14
    • Medizinische Grundlagen besteht aus weißer und grauer Substanz. Die weiße Substanz sind die Leitungsbahnen, die graue Substanz sind Nervenzellen- ansammlungen. Die beiden Substanzen sind gegeneinander streng abgetrennt. Im Rückenmarkquerschnitt, der etwa die Größe einer kleineren Münze hat, lassen sich die Leitungsbahnen außerhalb der schmetterlings-ähnlichen grauen Substanz leicht erkennen und den verschiedenen Strängen zuordnen. Das Rückenmark ist ein wichtiges Zentrum für Reflexe. Das Durchtrennen des Rückenmarks hat zur Folge, daß die unterhalb der Schädigung liegenden Bereiche ohne nervöse Verbindung mit dem Gehirn sind. Der Betroffene spürt diese Körperteile nicht mehr, auch nicht bei Verletzungen, und kann sie nicht mehr bewegen. Dieser Zustand nennt sich Querschnittlähmung (Paraplegie = zwei symmetrische Gliedmaßen sind betroffen, Letraplegie = alle vier Gliedmaßen sind von der Lähmung betroffen)[2, 3,4]. Bild 2.2: Lage des Rückenmarks im Rückenmarkskanal beim Erwachsenen. Ab dem 2. Lendenwirbel besteht es nur noch aus nervösen Leitungsverbindungen (Cauda equina) [2]. Jörg Halm & Jens Schlesener 15
    • Medizinische Grundlagen 2.3 Querschnittlähmung Querschnittlähmungen sind überwiegend Folgen von Schädigungen des Rückenmarks, mitunter auch Schädigungen von Nervenwurzeln oder von im Wirbelkanal verlaufenden peripheren Nerven (Cauda equina-Schädigung). Die komplette Querschnittlähmung ist die vollständige Unterbrechung der Rückenmarkbahnen in Höhe eines oder mehrerer Segmente. Sie führt zu einer charakteristischen Trias von motorischer, sensibler und vegetativer Lähmung, d.h.: • Willkürbewegungen können im gelähmten Körperbereich nicht mehr ausgeführt werden. • Die Funktionen der Oberflächensensibilität (Berührungs-, Schmerz-, Temperaturempfindung) sind vollständig ausgefallen. Gleichzeitig sind die Empfindungen der Tiefenwahrnehmung (propriozeptive Sensibilität) teilweise oder vollständig gestört, was heißt, daß die Wahrnehmung für geführte Bewegungen sowie für Lage und Vibrationsempfindungen verloren sind. • Daraus resultieren schwere Ausfälle hinsichtlich der Blasen- und Mastdarmfunktion, der Sexualfunktion, der Regulation des peripheren Kreislaufs, der Atemfunktion und der Schweißdrüsensekretion. Als inkomplette Querschnittlähmung bezeichnet man eine partielle Unterbrechung des Rückenmarks, und daraus resultierende partielle Lähmungen motorischer, sensibler und vegetativer Funktionen. Weiter wird unterschieden zwischen schlaffer- und spastischer Querschnittlähmung. Läsionen mit völliger Denervierung in den Bereichen des Hals-, Brust-, Lenden- oder Sakralmarks können komplette oder inkomplette schlaffe Querschnittlähmungen verursachen. Schädigungen im Bereich des Brustmarks mit thorakalen Lähmungsfolgen können ungesteuerte, unwillkürliche Muskelaktivitäten hervorrufen, die zu kompletten oder inkompletten spastischen Querschnittlähmungen führen [5, 6]. Jörg Hahn & Jens Schlesener 16
    • Medizinische Grundlagen 2.4 Einstufung nach der Höhe der Rückenmarkschädigung (Läsions- niveau) Der Terminus Paraplegie wird einerseits als Sammelbegriff für alle Lähmungen nach spinaler Läsion benutzt, andererseits werden im engeren Sinne als Paraplegie oder Paraparese Lähmungen nach Schädigung des Brust- und Lendenmarks, des Conus medullaris (unterste Segmente des Rückenmaks) und der Cauda equina definiert. Hier sind die Muskulatur des Rumpfes und der unteren Gliedmaßen sowie deren Sensibilität gestört. In Abgrenzung hierzu werden unter den Begriffen Tetraplegie oder Tetraparese Lähmungsbilder verstanden, die aus Halsmarkläsionen resultieren. Zur Definition des Niveaus einer Querschnittlähmung wird jeweils das letzte intakte Segment angegeben, also beispielsweise „Paraplegie unterhalb Th9quot; oder „Tetraplegie unterhalb C6quot;. Die Lagebeziehung zwischen Wirbel und betroffenen Rückenmarkssegment, sowie die sich daraus ergebenden körperlichen Abhängigkeiten mit den wichtigsten zugehörigen orthopädischen Versorgungsmaßnahmen werden in Bild 2.3 dargestellt. Die hier zu konzipierende Gehorthese ist für eine Versorgung von Betroffenen mit Lähmungen im unteren thoracalen Bereich gedacht. Jörg Hahn & Jens Schlesener 17
    • Medizinische Grundlagen Läsion körperliche Abhängigkeiten wichtigste Hilfsmittelversorgung unter- halb ____________________________________________________________ Tetraplegie Grundsätzlich: Beeinträchtigung der Atmungsmechanik, Blasen- und Mastdarm lähmung, ________ rollstuhlabhängig ___________________________________________ C3/4 In allen Handhabungen des 1 elektr. Rollstuhl mit speziellen täglichen Lebens von Hilfe Steuerungshilfen, z.B. abhängig Kinnsteuerung und 1 mech. Rollstuhl, Pflegehilfen z.B. Lifter, ____________________________________ elektr. steuerbares Stehgerät ______ C4/5 Vollständig pflegeabhängig, 1 mech. und 1 elektr. Rollstuhl, Greifen mit passiver Funktionshilfen für die Hand, elektr. Funktionshand möglich z.B. Schreibmaschine, elektr. steuerbares Essen und Schreiben mit Stehgerät ________ Hilfsmitteln möglich ________________________________________ C6 Teilweise pflegeabhängig, 1 mech. und 1 elektr. Rollstuhl, Greifen mit aktiver Funktionshilfen für die Hand, elektr. Funktionshand, selbständige Schreibmaschine, elektr. steuerbares Oberkörperpflege Stehgerät, Fahren eines angepaßten PKW möglich C7/8 Selbständig bis auf geringe 2 mech. Rollstühle, elektr. Hilfeleistungen, Gehen mit Schreibmaschine, Zimmerbarren und Gehapparaten im Barren möglich Gehapparate, Stehgerät, Fahren eines ____________________________________ angepaßten PKW möglich ________ Paraplegie Grundsätzlich: Blasen- und Mastdannlähmung, ________ pflegeunabhängig __________________________________________ Thl-9 Beeinträchtigung der 2 mech. Rollstühle, Zimmerbarren Atmungsmechanik bis Th6, und Gehapparate, PKW rollstuhlunabhängig, Gehen mit ________ Gehapparaten im Barren _____________________________________ TH11- Teilweise rollstuhlunabhängig, 2 mech. Rollstühle, Zimmerbarren L2 Gehen und Treppensteigen mit und Gehapparate, PKW Gehapparaten an ________ Unterarmstützen ___________________________________________ L3/4 Weitgehend 1 mech. Rollstuhl, Gehapparate ohne rollstuhlunabhängig, Gehen mit Kniesperre und Unterarmstützen, Gehapparaten ohne Kniesperren PKW ________ an Unterarmstützen _________________________________________ ' L5-S1 Rollstuhlunabhängig, Gehen mit Gehstöcke, Peroneusfeder, PKW ________ Peroneusfeder an Gehstöcken _________________________________ S2/3 Weitgehend normale Abrollhilfe ________ Gehfähigkeit ______________________________________________ Bild 2.3: Schematische Darstellung der Lage des Rückenmarks zu den Wirbelkörpern der Wirbelsäule mit tabellarischer Auflistung der daraus resultierenden körperlichen Abhängigkeiten und wichtigste Hilfsmittelversorgung Jörg Hahn & Jens Schlesener 18
    • ________________________ Stand der Technik von Hilfsmitteln für Querschnittgelähmte 3. Stand der Technik von Hilfsmitteln für Querschnittgelähmte In den folgenden Kapiteln „Rollstühlequot;, „Funktionelle Elektrostimulationquot; und „Orthesenquot; wird ein kurzer Überblick gegeben, welche Hilfsmittel Querschnittgelähmten zur Verfügung stehen, und in welche Richtung die Forschung geht, um die Mobilität der Betroffenen zu erhöhen. In dem Kapitel „Reziproke Gehorthesenquot; wird der aktuelle technische Stand von reziproken Gehorthesen wiedergegeben, auf dem diese Diplomarbeit aufbaut. 3.1 Rollstühle Die sorgfältige, individuelle Auswahl des Rollstuhls stellt einen wesentlichen Schritt zur umfassenden Rehabilitation des Querschnittgelähmten dar. Der Rollstuhl ist für den Paraplegiker wie für den Tetraplegiker nicht, wie mitunter irrtümlich definiert, ein „Krankenfahrzeugquot;, sondern das wichtigste Hilfsmittel zur Bewältigung eines entscheidenden Teils der Behinderung, nämlich des Mobilitätsverlustes. Er ist in der Regel die unverzichtbare Voraussetzung für die aktive Teilnahme am täglichen Leben, am Berufsleben und am Sport. Zur Auswahl für den Querschnittgelähmten stehen zur Verfügung: • mechanisch zu bedienende Rollstühle mit einfacher oder verstärkter Ausführung der Hinterachse • mechanisch zu bedienende Rollstühle aus Leichtmetall • mechanisch zu bedienende Rollstühle mit speziellen Konstruktionsmerkmalen, die sie für die Sportausübung geeignet machen • Elektrorollstühle • Spezialrollstühle mit Aufrichte- oder Lagerungsmechanik • Transit- und Transportrollstühle zur Bedienung durch Hilfspersonen Der Rollstuhl muß hinsichtlich der technischen Voraussetzungen den verbliebenen Restfunktionen des Querschnittgelähmten gerecht werden. Er wird nach Körpergröße, Hüftbreite und Längenmaßen an Ober- und Unterkörper ausgemessen und gegebenenfalls Jörg Hahn & Jens Schlesener 19
    • Stand der Technik von Hilfsmitteln für Querschnittgelähmte angepaßt. Die Auswahl muß also stets individuell erfolgen. Zur gezielten Versorgung des Querschnittgelähmten eignen sich besonders Rollstühle, deren Grundbestandteile einem Baukastensystem entsprechen. Sie sollten in ihrem Aufbau und in ihrer Zusammensetzung auch zu einem späteren Zeitpunkt der Behinderung und der speziellen Situation des Patienten entsprechend variiert werden können [6]. 3.2 Funktionelle Elektrostimulation (FES) und Neuroprothesen (Nerven aus Draht) Hier wird durch elektrische Reizung bestimmter Muskelgruppen eines Beines, die der Paraplegiker jeweils selbst auslöst, eine Schrittbewegung hervorgerufen. Das Gleichgewicht und die Vorwärtskomponente der Bewegung wird von den Armen mit dem Oberkörper durch den Einsatz von Armstützen bewirkt [5]. Dennoch ist die FES wie auch die Neuroprothese ä la CALIES (Computer Aided Locomotion by Implanted Electro- Stimulation) nicht als Ersatz für den Rollstuhl gedacht. Denn der Gelähmte könnte dann viele Bewegungen, für die er beide Hände braucht, nicht mehr ausführen. Aus diesem Grund arbeitet der Physiker Prof. Wolfgang Daunicht vom Neurologischen Therapiezentrum in Düsseldorf seit ein paar Jahren schon an einer neuen Generation von Stand-Gang-Prothesen: Eine Schritt-Maschine mit Gleichgewichtsorgan - und ohne Krücken. Daunicht: „Der Querschnittgelähmte muß sich um nichts mehr kümmern. Ein neuronales Netz mit künstlichen Reflexen schützt ihn davor, umzufallen, wenn ihn beispielsweise jemand anrempelt.quot; Weil es zu riskant ist, die automatische Gleichgewichtssteuerung an einem Menschen auszuprobieren, hat der Physiker einen virtuellen Paraplegiker mit 180 Körpermuskeln entworfen. „Wenn ich beispielsweise einen Muskel von dem virtuellen Paraplegiker mit einer Elektrode reize, kann ich genau beobachten, was dies für eine Bewegung im ganzen Körper auslöstquot;, sagt Daunicht. Aus solchen virtuellen Leibesübungen im Computer läßt sich berechnen, was passiert, wenn der Querschnittgelähmte stürzt, und wie das künstliche Gleichgewichtsorgan das verhindern kann. Damit dies nicht nur Theorie bleibt, hat Daunicht einen Roboter entwickelt. Mit den aus dem Modell berechneten Algorithmen ist der Roboter „Freddyquot; inzwischen sehr standfest geworden: Selbst auf einem Bein stehend, kippt er nicht um, wenn man ihn ins Wanken bringt. Auch an Patienten soll das künstliche Gleichgewichtsorgan mit Jörg Hahn & Jens Schlesener 20
    • Stand der Technik von Hilfsmitteln für Querschnittgelähmte Beschleunigungssensoren, die wie in der Natur die Richtung der Schwerkraft ermitteln können, in ein paar Jahren ausprobiert werden [7]. Stehen und Gehen mit Hilfe von Elektrostimulatoren - selbst wenn sie nur kurzfristig und für kleine Strecken angewendet werden - bringt eine ganze Reihe von medizinischen Vorteilen. Neuroprothesen verhindern, daß Knochen entkalken, Muskeln schwinden oder Druckgeschwüre entstehen. Sie regen den Kreislaufan und können Spastiken lindern [8]. 3.3 Orthesen Hier sind die Orthesen der Sachgrupppe der Lähmungsorthesen von größter Bedeutung. Sie werden nach Maß oder Körperformmodell hergestellt und sind funktionsergänzende und auch funktionsunterstützende, bewegungsbeeinflussende Orthesen für mehrgelenkige Gliedmaßenbereiche. Die erforderliche Teilfixierung wird mit statisch-starren Grundelementen der Orthese erreicht [5]. Der Bau einer Lähmungsorthese erfordert in allen Fällen die Beherrschung der mechanischen, statischen und der dynamischen Grundlagen, eine reiche Erfahrung und die liebevolle Erfassung des Einzelfalles, zumal jeder Fall anders liegt. Gerade hier ist die Zusammenarbeit des Arztes und des Mechanikers von besonderer Notwendigkeit. Einer muß den anderen beraten. Soll ein Stütz- oder Gehapparat für einen Gelähmten gebaut werden, kommt es zunächst einmal darauf an, ob es sich um eine sog. schlaffe oder eine spastische (Krampf-) Lähmung handelt. Die Muskelverhältnisse sind bei beiden Lähmungsformen ganz verschieden. Durch den Ausfall der Muskeln, welche die Streckung des Hüft- und Kniegelenks bewirken und diese Gelenke in Streckstellung halten, ist der Mensch nicht mehr imstande, sich mit Sicherheit beim Gehen und Stehen aufrecht zu halten. Der Lähmungsapparat soll sicheren Stand und sicheren, bestmöglichen Gang vermitteln [5]. 3.4 Reziproke Gehorthesen Zur Mobilisierung von Querschnittgelähmten mit fehlender muskulärer Hüftgelenk- und Beinkontrolle kann durch die Anwendung reziproker Gehorthesen eine relativ natürliche und effiziente Fortbewegung erzielt werden. Jörg Hahn & Jens Schlesener 21
    • _______________________ Stand der Technik von Hilfsmitteln für Querschnittgelähmte Die Koppelung der linken mit der rechten Beinorthese über eine Becken-Rumpforthese ermöglicht durch die Beugung des einen Hüftgelenkes jeweils die Streckung des gegenseitigen Hüftgelenkes. Die sich daraus ergebende statisch-mechanische Bewegung beider Beinseiten ergibt den reziproken (wechselseitigen) Gang [5]. Indikationen für eine reziproke Gehorthese: • Die Füße sollen im Stand in Neutral-Null-Stellung (90° Winkel von Fuß zum Unterschenkel) auf den Boden aufgesetzt werden können. Geringe Fehlhaltungen können durch Schuhzurichtungen korrigiert werden. • Die Kniegelenke dürfen keine nennenswerten Kontrakturen (unter 5°-10°) aufweisen. • Die Hüftgelenke sollten beweglich und frei von Kontrakturen, Einsteifungen und Spastizität sein. • Gute Muskelkraft der oberen Gliedmaßen • Richtige Motivation • Unterstützung und Mithilfe durch die Familie • Realistische Ziele und Erwartungen, da ganz sicher keine Orthese für einen derart schwerbehinderten Patienten völlige „Normalitätquot; wiederherstellen kann. Die Benutzung von Gehhilfen ist auch weiterhin erforderlich. Das reziproke Gehen mit der Orthese ist mit geringer bis mittelmäßiger Geschwindigkeit und mit wenig Kraftaufwand möglich. • Wenn diese Voraussetzungen nicht gegeben sind, können evtl. operative Korrektureingriffe und eine krankengymnastische Behandlung vor der Orthesenversorgung in Erwägung gezogen werden. Kontraindikationen: • Schwere, nicht korrigierbare Kontrakturen, die einen regelrechten Aufbau der Orthese unmöglich machen. • Spastizität oder andere unwillkürliche Muskelaktivitäten, die einen freien und koordinierten Bewegungsablauf verhindern. • Übergewicht • Muskelschwäche der oberen Extremitäten [9, 5] Jörg Hahn & Jens Schlesener 22
    • Stand der Technik von Hilfsmitteln für Querschnittgelähmte Behandlungsziel: Wenn die oben angegebenen Voraussetzungen gegeben sind, kann der Patient voraussichtlich mit der Orthese aufrecht stehen und bei regelmäßiger täglicher Benutzung das Entstehen von Kontrakturen verhindern. Erwachsene werden außerhalb ihres Wohnbereichs trotz der Orthesenversorgung auch weiterhin auf die Benutzung des Rollstuhls angewiesen sein. Der Patient muß diese Zusammenhänge verstehen, um die Möglichkeiten und Grenzen der Orthese, gemessen an seinen speziellen Bedürfnissen, einschätzen zu können [5]. Im folgenden werden verschiedene Systeme reziproker Gehorthesen vorgestellt. 3.4.1 Die „LSU Reciprocation-Gait Orthosisquot; Die erste reziproke Gehorthese war die LSU Reciprocation-Gait Orthosis. Sie wurde 1983 von der Louisianna State University in New Orleans vorgestellt und auch dort entwickelt. Gebaut wird sie von Durr-Fillauer Medical INC. in Chattanooga Tennessee (USA). Die LSU Gehorthese (Bild 3.1) ergibt sich aus: • Einer Leichtgewichts-Kunststoffkonstruktion: Die Oberschenkel- und Unterschenkel- formteile sind aus Polypropylen geformt. Verstärkungen aus Carbonfasereinlagen in der Sprunggelenkregion wirken versteifend. • Einem individuell geformten Beckenführungsteil aus Kunststoff unter Einschluß des Kreuzbeins und des Gesäßes. Das Beckenführungsteil hat eine gewisse Elastizität, die der Beweglichkeit dient. • Der Verwendung von Aluminiumschienen mit rückverlagerten Kniegelenken, die mit einer Fallschloßsperre und Kugel-Feder-Rückhaltung versehen sind. Bei geringer Beanspruchung z.B. bei Kindern kann oft auf die innenliegenden Knieschienen verzichtet werden. Jörg Hahn & Jens Schlesener 23
    • Stand der Technik von Hilfsmitteln für Querschnittgelähmte • Der mechanischen Koppelung beider Hüftgelenke durch Kabelzüge, die eine beiderseits gleichzeitige Beugung oder Streckung der Hüftgelenke beim Gehen verhindern. Mit der Beugung des einen Hüftgelenkes wird gleichzeitig das andere Hüftgelenk gestreckt. Die Bowdenzüge übertragen dabei die Kräfte von der einen Orthesenseite auf die andere. Erst eine Gelenkentsperrung beider mechanischer Hüftgelenke führt zur gleichzeitigen Hüftbeugung und damit zur Sitzposition. Erfahrungen haben gezeigt, daß eine einzelne Kabelführung für Patienten mit mäßig bis gering aktivierbaren Hüftbeugemuskeln ausreicht, jedoch Patienten mit total gelähmten Hüftbeugern besser Doppelkabelsystem versorgt werden, um sowohl die Beugung als auch die Streckung zu steuern. Neben den oben aufgeführten Indikationen wurde bei den versorgten Patienten die Kraft der oberen Extremitäten und die Motivation eingehend untersucht. ausgewählten Patienten mußten in der Lage sein, sich aus dem Sitz für 60 Sekunden mit den Armen hochzustemmen, ohne zu zittern. Gezielt mußten sich diese Patienten einem intensiven Bild3.1:Aufbauder„LSU allgemeinen Konditionstraining hauptsächlich Reciprocation-Gait Othosisquot; für die Arme und einer Gehschulung mit Übungsorthesen an mehreren Tagen pro Woche über einen Zeitraum von drei bis vier Wochen unterziehen, bevor die LSU Gehorthese verschrieben wurde. Mit diesem Vorgehen können sich Patienten tatsächlich selbst testen. Jörg Hahn & Jens Schlesener 24
    • ________________________ Stand der Technik von Hilfsmitteln für Querschnittgelähmte Diejenigen, die dieses Training als nicht vereinbar mit ihren üblichen Aktivitäten und als ungerechtfertigt oder unannehmbar empfinden, geben auf oder versäumen Übungsteile. Nur mit vollständig absolviertem Kurs wird die Motivation als ausreichend eingeschätzt um die reziproke Gehorthese nutzen zu können [5]. Seit 1 Weiterentwicklung der LSU Gehorthese. Der Grundaufbau gleicht dem oben vorgestellten System, außer daß statt der geschwungen geführten Bowdenzüge horizontal geführte Bowdenzüge verwendet werden (Bild 3.2). Diese Entwicklung soll drei entscheidende Vorteile haben: •L e i c h tgängigkeit durch verminderte Reibung • verbesserte Haltbarkeit durch verringerten Verschleiß des Bowdenzugsystems • einfachere Einstellung der Hüftflexion und Hüftextension durch Stellschrauben [10]. Bild 3.2:Die LSU Orthese mit waagerechter Bowdenzugführung 3.4.2 Die „Isozentrische ARGIO®quot; Die Isozentrische ARGIO® (Bild 3.3) ist eine Gehorthese der Firma Pro Walk in
    • Egelsbach. Im Aufbau ähnelt sie dem oben vorgestellten System der Firma Fillauer bis auf folgende Details. Die Isozentrische ARGIO® ist ausschließlich für den Gebrauch von Jörg Hahn & Jens Schlesener 25
    • Stand der Technik von Hilfsmitteln für Querschnittgelähmte Kindern bestimmt. Die Bewegung des einen Hüftgelenkes wird durch eine nadelgelagerte Wippmechanik auf das andere Hüftgelenk übertragen. So kann die Bewegungsenergie des Kindes fast vollständig umgesetzt werden, weil kaum Reibungsenergie verloren geht. Das starre Rumpfteil, verbunden mit speziellen Hüftgelenken, erlaubt eine laterale Beinschienenführung (Die innenliegenden Schienen können weggelassen werden.). Die Hüftgelenke können zum Hinsetzen vom Kind selbst einfach entriegelt werden. Die Unterschenkelorthesen werden bis zum Medialen Kondylus (innerer Gelenkhöcker des Oberschenkelknochens am Kniegelenk) hochgezogen. Dadurch wird der Oberschenkel meist gut geführt, so daß auf die Oberschenkelhülsen verzichtet werden kann. Durch diese Bauart kann die Isozentrische ARGIO® auch im Sitzen angezogen und unter den Kleidern getragen werden. Die Firma Pro Walk legt neben den oben aufgezählten Indikationen besonderen Wert auf eine Teambetreuung des Patienten beim Umgang mit ihren Orthesen. Das Team besteht aus Therapeuten, Orthopädietechnikern, der Bild 3.3:Die Isozentrische ARGIO®: Eine Familie des Patienten und dem reziproke Gehoerthese für Kinder von der Firma Pro Walk. Patienten selbst [11]. Gehorthesen mit einer Wippmechanik werden noch von weiteren Firmen angeboten: • Wilh. Jul. Teufel GmbH in Stuttgart; „System Isocentricquot; • Fillauer (deutscher Vertrieb durch Basko Healthcare in Hamburg); „Rocker Bar Systemquot; Jörg Hahn & Jens Schlesener 26
    • Stand der Technik von Hilfsmitteln für Querschnittgelähmte • John + Bamberg in Hannover „Johekaquot; 3.4.3 Der „Parawalkerquot; Der Parawalker wird von der Firma Pro Walk hergestellt und vertrieben. Er unterscheidet sich im Aufbau deutlich von den bisher vorgestellten reziproken Gehorthesen (Bild 3.4). Der Parawalker ist eine Gehorthese für Erwachsene oder schwergewichtige Jugendliche. Derzeit ist der Parawalker die Orthese mit der höchsten seitlichen Stabilität. Die Bewegung der beiden Hüftgelenkseiten ist nicht gekoppelt. Das Hüftgelenk des Parawalkers läßt nur Bewegungen in der Sagitalebene (Vorbeugen) zu [11]. Zum Hinsetzen läßt sich das Hüftgelenk und die „Schweizer Sperrequot; der Kniegelenke entriegeln. Eine Feder im Hüftgelenk erleichtert das Hinstellen aus dem Sitz. Bild 3.4:Der Parawalker: Eine reziproke Gehorthese für Erwachsene Der Patient verlagert zum Gehen mit der Orthese den Körperschwerpunkt vor seine Aufstandsfläche. Um nicht umzufallen stützt er sich mit Unterarmstützen nach vorne ab. Ein Schritt wird durch das Abheben des Spielbeins eingeleitet. Der Patient drückt sich mit einer Unterarmgehstütze seitlich ab. Durch den Parawalker neigt sich hierbei die gesamte Längsachse des Patienten, ohne daß die Hüfte zu einer Seite hin abfällt. Das Spielbein schwingt unter dem Körperschwerpunkt hindurch nach vorne. Nun muß der Patient mit Hilfe der Unterarmstützen unter Einsatz des Musculus Latissimus dorsi (großer seitlicher Jörg Hahn & Jens Schlesener 27
    • _______________________ Stand der Technik von Hilfsmitteln für Querschnittgelähmte Rückenmuskel) seinen Körperschwerpunkt wieder vor seine Aufstandsfläche bringen und der nächste Schritt kann durch ein Hochdrücken zur anderen Seite eingeleitet werden. Jörg Hahn & Jens Schlesener 28
    • Werkstoffe 4. Werkstoffe im Orthesenbau Für klassische Orthesen werden auch heute noch Metallschienen, gegebenfalls mit frei beweglichen oder sperrbaren Gelenken, und metallene Bänder als tragende Rahmenkonstruktion verwendet, ergänzt durch gewalkte Lederhülsen zum sogenannten Schienen-Hülsen- oder Schienen-Schellen-Apparat: Die Hülse umhüllt formschlüssig einen längeren Gliedmaßenabschnitt, während die halbzirkuläre Metallschelle, durch ein Lederband auf der Gegenseite vervollständigt, einen relativ schmalen Teil der jeweiligen Gliedmaßen - meist in Nachbarschaft zu einem Gelenk - fixiert. Spezielle Druckpelotten erlauben die gezielte Übertragung dosierter Kräfte auf bestimmte Körperpartien. Zug um Zug wird jedoch die herkömmliche Leder - Metall - Technik zur Orthesenherstellung abgelöst von thermoplastischen Kunststoffmaterialien und glas- oder carbonfaserverstärkten Gießharzen [14]. Ein Hauptziel bei der Herstellung von Orthesen ist, neben den funktionellen Aspekten, eine Verringerung des Gewichtes und eine Verbesserung der Zuverlässigkeit und der Sicherheit der einzelnen Bauteile. Edelstahle werden schon seit langem verwendet. Sie entsprechen den Anforderungen hinsichtlich Festigkeit und Zuverlässigkeit, weisen aber ein entsprechend hohes Gewicht auf. Oft werden Orthesenkonstruktionen in Stahl-Leder- Technik deshalb vom Patienten als zu schwer empfunden. Spezifisch leichtere Aluminium Legierungen, die bei der Herstellung von Beinorthesen zum Einsatz kommen, weisen oft nicht die erforderliche Bruchsicherheit auf. Neue Generationen von Legierungen eröffnen zwar neue Möglichkeiten, was das Verhältnis von Gewicht zu Festigkeit betrifft, aber ihre Verformbarkeit ist eingeschränkt und dadurch die Bruchsicherheit entsprechend gemindert. Zum Vergleich der Metallwerkstoffe im Orthesenbau dient Tab. 4.1. Thermoplastische Kunststoffe, wie Polypropylen und ihre Modifikationen haben zur Lösung einiger Probleme bezüglich Gewicht und Formgebung beigetragen. Auch hat die Laminattechnik unter Verwendung von Carbonfasern eine starke Weiterentwicklung des Orthesenbaus bewirkt. Das Problem der Gelenkverbindung mit dem Laminat konnte aber nur teilweise gelöst werden. Jörg Hahn & Jens Schlesener 28
    • _____ ________ Werkstoffe Werkstoffe Eigenschaften Titan Edelstahl Eisen Aluminium Dichte in kg/m 4500 7930 7860 2700 Schmelzpunkt in °C 1670 1420 1535 658 Wärmekapazität in kJ/kG*K 0,535 0,490 0,464 0,908 Elastizitätsmodul in N/mm2 110000 194000 204000 71000 8,5 11,0 11,17 22,9 Ausdehnungskoeffizient bei25°CinlOquot;6/°C Tab 4.1: Tabelle zum Vergleich der Metall Werkstoffe im Orthesenbau [11, 12, 13] Titan hat bisher in der Orthopädietechnik vor allem bei Prothesen-Paßteilen Anwendung gefunden. Der hohe Preis und die schwierige handwerkliche Verarbeitung verhindern aber bisher die Verbreitung im Orthesenbau. Die guten mechanischen Eigenschaften und das geringe Gewicht machen es jedoch auch für den Aufgabenbereich des Orthopädietechnikers interessant. 4.1 Polyethylen und Polypropylen Dichte Zugfestigkeit G-Modul zulässiger Temp.- bereich g/cm3 N/mm2 N/mm2 °C 0,97 30 1000 -120 bis 130 HDPE ca. 0,9 37 ca.800 bis 130 PP Tab. 4.2: Eigenschaften von HDPE (High Density PE) und PP Hauptsächlich finden Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP) im Schalenbau Verwendung. Sie gehören zur Gruppe der Thermoplaste (TP) und sind daher leicht zu verarbeiten. Bei hinreichender Erwärmung erweichen TP bis zur Fließfähigkeit, sind somit beliebig sphärisch verformbar und härten bei Abkühlung aus. Dieser Vorgang ist beliebig wiederholbar, wenn man eine Zersetzung (zu hohe Temperatur) vermeidet. TP sind im allgemeinen schmelzbar, schweißbar, quellbar und löslich. Jörg Hahn & Jens Schlesener 29
    • Werkstoffe PP und HDPE sind kochfest, sterilisierbar und besitzen ähnliche chemische Beständigkeit und elektrische Eigenschaften. 4.2 Carbonfaserverstärkte Kunststoffe Mit carbonfaserverstärkten Kunststoffen (CFK) lassen sich besonders konturgetreue Stützelemente herstellen, die hinsichtlich der Festigkeit mit Stahl und Aluminium zu vergleichen sind, aber nur ein Fünftel davon wiegen. Die Dehnung von CFK ist vollelastisch, Ermüdungsbeständigkeit und Vibrationsdämpfung sind hervorragend. Da in diesem Material die Fasern überwiegen (60 Vol % bis 80 Vol %), sind die Eigenschaften der Fasern maßgebend. Carbonfasern, sie bestehen zu über 95 % aus reinem Kohlenstoff, besitzen eine hohe Zugfestigkeit, hohen Elastizitätsmodul, niedriges spezifisches Gewicht, geringe Bruchdehnung und eine hohe Temperaturbelastbarkeit. Sie sind chemisch weitgehend inert. Die Festigkeiten übertreffen die der meisten Metalle und anderer Faserverbundwerkstoffe. C-Fasertype IM Eigenschaften Einheit HAT HM g/cm3 1,78 1,80 1,79 Dichte MPA 3400 5400 2350 Zugfestigkeit GPA 235 290 358 Zug-E-Modul % 1,4 1,7 0,6 Bruchdehnung 10-6 K-l -0,1 -0,5 Wärmeaus- dehnungskoeffizient Tab. 4.3: Übersicht der Eigenschaften verschiedener C-Fasern CFK ist ein Laminat, das schichtweise aus Kohlenstoffgewebe und einem Kunststoff - der Matrix - besteht [15]. Eine Eigenheit von CFK, wie auch aller anderen faserverstärkten Verbundwerkstoffe, besteht darin, daß man ihre Belastbarkeit den vorgesehenen Bedingungen anpassen kann. Das geschieht durch zweckmäßige Wahl oder Kombination der Faserorientierungen innerhalb der Matrix. So ergeben bidirektionale Anordungen Jörg Hahn & Jens Schlesener 30
    • Werkstoffe (0°/90°) gute Festigkeitswerte in zwei (senkrechten) Richtungen. Und noch komplexere, multidirektionale Anordungen (0° / ± 45° / 90°) wirken in mehreren Richtungen verstärkend [16]. Im Orthesenbau ist die Matrix meist duroplastisch, d.h. sie besteht aus einem Gießharz, das nach dem Aushärten nicht erneut plastisch geformt werden kann. Hierin besteht der große Nachteil des herkömmlichen CFK, da somit ein Nachformen der Teile nur gering sowie die Anpassung an veränderte anatomische Gegebenheiten nicht möglich ist. Eine Alternative dazu bietet das carbonfaserverstärkte Halbzeug METCORE. Dieser Werkstoff läßt es zu, die Form der Stützelemente auch nachträglich den gegebenen anatomischen Verhältnissen anzupassen. Dies ist möglich, indem die Matrix in einen thermoelastischen Zustand versetzt wird, damit die Kohlenstoffaserschichten sich gegeneinander verschieben können, ohne daß es zu einer Ablösung der Matrix von der Faser kommt. Hierbei soll es zu keiner Beeinträchtigung der Festigkeit und Steifigkeit der Schale kommen. Verarbeitet werden die METCORE-Zuschnitte, indem sie nach einer Erwärmung an das Model angeformt und anschließend verklebt werden [17]. 4.3 Aluminium Aluminium findet in der Orthopädietechnik Verwendung beim Bau von orthopädischen Schienen. Es eignet sich durch sein besonders geringes spezifisches Gewicht von 2700 kg/m bei beachtlichen Festigkeitswerten von 40-180 N/mm je nach Behandlungszustand. Nachteilig wirkt sich seine geringe Bruchsicherheit aus. Aluminium hat im Vergleich zu Stahl keine Dauerfestigkeit nach Wöhler. Eine weitere günstige Eigenschaft für die Orthopädietechnik ist die hervorragende Korrosionsbeständigkeit. Der geringe Elastizitätsmodul von Aluminium führt bei der Verwendung für Stützkonstruktionen zu einem wesentlich elastischeren Verhalten, verglichen mit gleichartigen Konstruktionen aus Stahl. Nachteilig ist auch der thermische Ausdehnungskoeffizient, der rund das Zweifache von dem des Stahles beträgt. Jörg Hahn & Jens Schlesener 31
    • Werkstoffe Die breite Nutzung der Vorteile von Aluminium für den technischen Bereich, nämlich seine geringe Dichte und die große Korrosionsbeständigkeit, wurden erst möglich durch die Verbesserung der Festigkeitseigenschaften. Hier spielt für die technische Entwicklung der Aluminiumlegierungen die Entdeckung der Festigkeitssteigerung durch Aushärten eine überragende Rolle. Die wichtigsten Legierungselemente sind Kupfer, Magnesium und Silizium. Durch eine Wärmebehandlung der Aluminiumlegierungen werden die Festigkeitswerte gesteigert. 4.4 Edelstahl Edelstahle sind besonders reine (in Bezug auf mechanische Gütewerte und Kerbwirkung der Einschlüsse) Qualitätsstähle. Qualitätsstähle werden nach ihrem Verwendungszweck untergliedert, nach dem sie durch Legierungselemente ihre speziellen Eigenschaften erhalten. Im Bereich Orthopädietechnik werden rostfreie Stähle verwendet. Sie haben einen Chrom-Legierungsanteil von mindestens 12 Prozent. Die Korrosionsbeständigkeit wird durch eine besonders glatte, zum Beispiel polierte Oberfläche begünstigt [18]. Stahl hat ein sehr hohes spezifisches Gewicht von 7900 kg/m3 und kann daher nur begrenzt beim Bau von Orthesen verwendet werden. Durch seine extrem hohen Festigkeits- und Steifigkeitswerte bietet sich Stahl zur Verwendung bei kritischen Bauteilen - wie zum Beispiel bei Gelenken - an, ist aber aus dem gleichen Grund auch schwierig zu bearbeiten. So stellt zum Beispiel die Firma Otto Bock einzelne Gelenke aus Edelstahl her, die zum Einbetten in Verbundfaserwerkstoff oder zur Anbindung an Aluminiumschienen gedacht sind. 4.5 Titan Der Werkstoff Titan eröffnet neue Anwendungsmöglichkeiten bei Orthesen. Er stellt eine dritte Möglichkeit dar, die zwischen den traditionellen Versorgungen mit Stahl-Aluminium Orthesen und den neueren Orthesen aus Faserverbundwerkstoffen liegt. Jörg Hahn & Jens Schlesener 32
    • Werkstoffe Titan hat ein spezifisches Gewicht von 4500 kg/m3, das heißt, es ist 40 Prozent leichter als Edelstahl, mit ähnlichen Leistungsmerkmalen. Bei industriell gefertigten Paßteilen aus Titan können die traditionellen Montagetechniken beibehalten und dabei das Gewicht der Orthesenkonstruktion entscheidend reduziert werden. Ein Vergleich von Titankonstruktionen mit Faserverbundkonstruktionen ergibt, daß Titankonstruktionen ca. 10-15 Prozent schwerer sind, wenn die Orthesen in Faserverbundtechnik mit einem leistungsfähigen Verfahren hergestellt sind. Die normale Acryl-Laminattechnik ergibt ungefähr die gleiche Gewichtssituation wie bei Titanschienen. Der Vorteil von Titan gegenüber den Verbundwerkstoffen liegt jedoch in der Möglichkeit, bei Anproben und über die gesamte Lebensdauer der Orthese hinweg, Nachpassungen vorzunehmen, ohne daß sich dies nachteilig auf die Struktur und die Festigkeit der Orthese auswirkt. Ebenso eignen sich Titanorthesen besonders für die Versorgung von Kindern, da hier das geringe Gewicht, die leichte Veränderbarkeit der Bauteile sowie die Reparaturfreundlichkeit von größter Wichtigkeit sind. Gelenkelemente aus Titan sind des weiteren bestens geeignet für die Einbettung in Faserverbundwerkstoffe, da es sich im Gegensatz zu Aluminium mit allen Verbundwerkstoffen verträgt [19]. 4.6 Sonstige verwendete Materialien Die Art der Innenverkleidung und Befestigungsriemen richtet sich nach den Wünschen bzw. Bedürfnissen (bei Allergien) des Patienten und besteht aus Baumwolle, Leder oder verschiedenen Kunststoffen. Die Firma 3M Medica in Borken stellt verschiedene Arten von individuell anpaßbaren Kunststoffschienen zur Abstützung und Entlastung aller Gliedmaßen her. Der Werkstoff ist ein Glasfaser-Trägermaterial, daß mit einem wasseraktivierbaren Polyurethanharz getränkt ist. Nach kurzem Einweichen in Wasser härtet das Harz innerhalb einer halben Stunde vollkommen aus. Das ausgehärtete Material ist sehr leicht und atmungsaktiv, weil es mit Jörg Hahn & Jens Schlesener 33
    • Werkstoffe Poren durchsetzt ist. Für die Verwendung zur Stabilisation kritischer Punkte der Gehorthese bieten sich insbesondere folgende zwei Produkte an: • „3M Softcastquot;: Läßt sich paßgenau an den Körper anmodelieren und ist nach dem Aushärten unter Krafteinwirkung noch begrenzt biegsam, findet aber immer zur Ausgangsform zurück. Durch das Einmodelieren einer Schiene lassen sich gewünschte Bereiche vollkommen stabilisieren. • „3M Scotchcastquot;: Dieser Werkstoff wird hauptsächlich als Ersatz für herkömmlichen Gips verwendet. Er bietet genügend Stabilität, um ihn als Schiene zur vollkommenen Stabilisation in das Softcast Material einzumodelieren. Vor dem Anmodelieren wird nur ein dünner Unterziehstrumpf über die entsprechende Extremität gezogen. Er verbleibt als Polsterung in der Schiene und kann Schweiß aufnehmen. Durch die genaue Paßform lassen sich Druckstellen vermeiden. Zum Softcast Material werden Schnallen, Bänder und Knöpfe, wie sie zum Verschließen von Rucksäcken üblich sind, angeboten. Diese lassen sich als Schnellverschlüsse direkt an die Schiene montieren. Die Firma 3M Medica gibt gerne weitere Informationen unter der Kontaktadresse im Anhang. Jörg Hahn & Jens Schlesener 34
    • Ideenfindung 5. Ideenfindung Im Vordergrund der Konstruktion und Herstellung von Orthesen steht die generelle Frage: Welche Aufgabe soll die Orthese erfüllen und wie können die medizinischen Anforderungen mechanisch umgesetzt werden? Zur Lösung dieser Probleme empfiehlt es sich, den wissenschaftlichen Weg einzuschlagen, den Dingen auf den Grund zu gehen, damit eine bestmögliche Abstimmung der mechanischen Orthesenelemente in ihrer Wirkungsweise auf den menschlichen Körper erfolgen kann. Dies geschieht zweckmäßigerweise durch eine Eingrenzung des Aufgabengebietes mittles folgender Fragen: • Welchem Zweck dient die Orthese? • Welche Gelenke werden mit einbezogen? • Wieviel Kraft brauchen wir? • Welche Hebelwirkung machen wir uns zunutze? • Wie lange soll die Orthese verwendet werden? • Aufweiche Oberfläche wirken wir ein? • Gegen welche Reaktionen arbeiten wir? • Gibt es krankheitsspezifische Warnsignale? Der oben aufgeführte Fragenkatalog kann als logischer Leitfaden bei der Rezeptierung und Fertigung herangezogen werden [5]. Dieser Leitfaden aus dem Standardwerk der Orthopädietechnik dient zur ersten Sensibilisierung für die Problematik der Konzeption der Gehorthese. Jörg Hahn & Jens Schlesener 35
    • Ideenfindung 5.1 Problemdarstellung An sich ist die Konstruktion ein rein technisches Problem. Die Orthese ist so zu gestalten, daß die Funktion sichergestellt ist, das Design ansprechend und funktional ist und somit der Markt die Orthese akzeptiert. Das beinhaltet unter anderem ein geringes Gewicht, die einfache Handhabung und andere Punkte, die später als Bewertungskriterien unter Punkt 5.5 noch aufgeführt werden. Zusätzlich zu den technischen Problemen der Konstruktion müssen jedoch auch in einem sehr hohen Maß die Eigenarten der menschlichen Anatomie erkannt bzw. das Fehlen von Funktionen berücksichtigt werden. Plausibel wird dies beim Betrachten der Muskulatur. Durch das Fehlen ihrer Funktion treten gleich mehrere medizinische Probleme auf. Zunächst führt und hält die Muskulatur die Gelenke in ihrer Position und ermöglicht somit einen exakten Bewegungsablauf innerhalb des Gelenkes. Fehlt nun diese Führung, kommt es zu unkontrollierten Bewegungen des Gelenkes, was zu einem enormen Verschleiß führt. Somit geben die Gelenke nur vor, wo man eine Kraft bzw. Bewegung einleiten kann. Ferner sorgt die Muskulatur mit Hilfe der Venenklappen für eine gute Blutzirkulation im ganzen Körper. Durch die Erschlaffung des Muskelgewebes ist die Funktion der Venenklappen stark beeinträchtigt bzw. nicht mehr vorhanden. Hieraus folgt eine unzureichende Blutzirkulation in den betroffenen Extremitäten, da die Pumpfunktion des Herzens allein zum Transport des Blutes aus den Beinen nicht ausreicht und somit die Gefahr besteht, daß sich Blut in den Beinen sammelt. Die unzureichende Blutzirkulation wiederum bewirkt eine sehr hohe Empfindlichkeit gegenüber der Bildung von Druckstellen. Im Vergleich mit einer intakten Muskulatur, wo eine punktuelle Druckbelastung auf das Gewebe einen blauen Fleck erzeugt, der nach 3-4 Tagen wieder verheilt ist, bildet sich im schlaffen Gewebe eine Druckstelle, die entweder einer Operation zur Entfernung bedarf, oder erst nach mehr als 6 Monaten verheilt und das auch nur bei dauernder Pflege. Denn durch die mangelnde Durchblutung ist der Körper nicht in der Lage sich selbst zu regenerieren. Des weiteren bedingt die mangelnde Blutzirkulation eine Unterversorgung der Knochen mit Mineralien, was zu einer Art Osteoporose im Knochen führt. Die Knochenfestigkeit Jörg Hahn & Jens Schlesener 36
    • Ideenfindung sinkt auf ca. 50 % der eines gesunden Knochens, so daß ein Stoß, der vor der Lähmung nur zu einem blauen Fleck geführt hätte, einen Trümmerbruch bewirkt. Man kann schon jetzt erkennen, daß ein Großteil der Führungsfunktion deshalb von der Orthese übernommen werden muß. Die Muskulatur, die ohne Funktion schlaff am Knochen hängt, ein Orthopäde vergleicht sie mit einem lose gebundenen Sack voll Sand, bedeutet dadurch zusätzliches Gewicht, das auch noch geführt und eingebettet werden muß. Daneben tritt auch öfters eine trophische Störung auf, das heißt das vegetative Nervensystem, das für die Spannung der Haut, der Gefäße und der Lymphgefäße verantwortlich ist, ist geschädigt. Diese Schädigung führt zu Hautdurchblutungsstörungen, übermäßiger Schweißsekretbildung und zu einer zusätzlichen Wasseraufnahme des Körpers. Als weiteres Problem taucht die Spastik auf, unter der man die unkontrollierte und willkürliche Bewegung von Muskeln und dadurch der Gliedmaßen versteht. Diese Bewegungen gilt es sanft mit der Orthese zu unterdrücken bzw. zu mindern, da die Spastik ein hohes Verletzungspotential wie Prellungen und Knochenbrüche für die Person birgt. Hier muß versucht werden, bei der Beschaffenheit der Orthese einen Mittelweg zu finden, damit nicht andererseits die Orthese zu einer Verletzung führt. Das nächste Problem ist der besondere Aufbau des Kniegelenkes. Das Gelenk besitzt nur im gestreckten Zustand eine seitliche Stabilität. Das heißt ein Kniegelenk hat im gebeugten Zustand mehr Freiheitsgrade als im gestreckten Zustand. Aus diesem Grund benötigt es starke seitliche Ersatzführungen, die nur Bewegungen in der Sagitalebene zulassen. Ferner führt das Kniegelenk keine reine Rotationsbewegung aus, sondern eine Überlagerung aus Rotation- und Scherbewegung. Dieser komplizierte Bewegungsablauf muß zusätzlich bei der Krafteinleitung beachtet werden. 5.2 Lösungsfindung Jörg Hahn & Jens Schlesener 37
    • ____________________________________________________________ Ideenfindung Um eine konkrete Lösung zu erlangen, wird sich einer Bewertungs- und Konstruktionssystematik bedient. Dazu wird die Orthesenfunktion in Teilfunktionen aufgesplittet, die im morphologischen Kasten aufgelistet sind (siehe Tabelle 5.1, 1. Spalte). Neben jeder dieser Teilfunktionen stehen eine Anzahl von möglichen Teillösungen für das entsprechende Problem. Diese Teillösungen stammen aus Gesprächen mit Betroffenen, Technikern und Krankengymnasten, dem Brainstorming in der Fa. MRD und aus einem Konstruktionskatalog. In den folgenden morphologischen Kästen werden die Teillösungen zu vier sinnvollen Gesamtlösungen kombiniert. Die Lösungen 3 und 4 sind wegen ihrer vielen Gemeinsamkeiten in einem Kasten zusammengefaßt. Die Lösung 4 ist durchgängig grün markiert, die Alternativlösung 3 gelb. Jörg Hahn & Jens Schlesener 38
    • Lösung 2 Lösung 5 Lösung 6 Lösung 7 Teilfunktion Lösung 1 Lösung 3 Lösung 4 Lösung 8 Schnallen Klettverschlüsse Strumpf (ohne) Reißverschluß Steckverschlüsse Spannverschluß Verschlüsse (Vgl. Rucksack) (Vgl. Skischuh) Strumpfgewebe Bandagen Schalen Körperanbindung: in der Hüfte Strumpfgewebe Bandagen Schalen am Bein Strumpfgewebe Bandagen Schalen Stützschuh der Füße Hydraulikspeicher Solarzellen Biogas Körperwärme Akku elektrisch Akku elektrisch Schuhsohlen- Energieauftanken Drucklufttank außer Betrieb an Oberleitung generator aufladen aufladen Akku zentral Akkus verteilt Druckluft chemisch Solarenergie Drucktank Energieversorgung induktive Microtaster Lichtschranken Gray-code Positionserkennung mechanisch über Inkremental- Endschalter der Gelenke Anschläge maßstab mechanisch über Fuzzy Logic Bus an Steuerung elektrisch ASI- Bus an Armbewegung Hydraulikventile Bus => SPS Pneumatikventile Hydraulikmotor Pneumatikmotor Gestänge Hydraulikzylinder Pneumatik- Seilzüge Kraft- und Moment E-Motor Übertragung im: rotatorisch /linear zylinder Hüftgelenk Hydraulikmotor Pneumatikmotor Gestänge Hydraulikzylinder Pneumatik- Seilzüge E-Motor Kniegelenk rotatorisch /linear zylinder Hydraulikmotor Pneumatikmotor Stützschuh Hydraulikzylinder Pneumatik- Seilzüge Gestänge E-Motor Sprunggelenk rotatorisch /linear zylinder Bowdenzüge Stützstrumpf Stabilisierung des: Gestell Hüftgelenkes Bowdenzüge Gestell Stützstrumpf Kniegelenkes Bowdenzüge Gestell Stützstrumpf Stützschuh Sprunggelenkes Schutzgewebe Polsterungen Abstand zur Haut Bandagen Verhindern von angepaßte Druckstellen Schalen Schutzgewebe Polsterungen Abstand zur Haut Verhindern von angepaßte Scheuern Schalen Gleichgewicht Gleichgewichts- mit über Arme Unterarmgeh- erhalten sensor unterstützender stiitzen Mechanik Tabelle 5.1: Morphologischer Kasten Lösung 1: Gestänge-Hebelarmkombination mit Hydraulikantreib
    • Lösung 2 Lösung 3 Lösung 6 Teilfunktion Lösung 1 Lösung 4 Lösung 5 Lösung 7 Lösung 8 Schnallen Klettverschlüsse Strumpf (ohne) Reißverschluß Steckverschlüsse Spannverschluß Verschlüsse (Vgl. Rucksack) (Vgl. Skischuh) Strumpfgewebe Bandagen Schalen Körperanbindung: in der Hüfte Strumpfgewebe Bandagen Schalen am Bein Strumpfgewebe Bandagen Schalen Stützschuh der Füße Hydraulikspeicher Solarzellen Biogas Körperwärme Akku elektrisch Drucklufttank Energieauftanken Akku elektrisch Schuhsohlen- außer Betrieb aufladen aufladen an Oberleitung generator Akku zentral Akkus verteilt Druckluft chemisch Solarenergie Drucktank Energieversorgung Microtaster Lichtschranken Gray-code Positionserkennung mechanisch über induktive Inkremental- der Gelenke Anschläge Endschalter maßstab mechanisch über Fuzzy Logic Steuerung Bus an elektrisch ASI- Bus an Armbewegung Pneumatikventile Bus => SPS Hydraulikventile Hydraulikmotor Pneumatikmotor Gestänge Hydraulikzylinder Seilzüge Kraft- und Moment E-Motor Pneumatik- Übertragung im: rotatorisch /linear zylinder Hüftgelenk Hydraulikmotor Pneumatikmotor Gestänge Hydraulikzylinder Seilzüge Kniegelenk E-Motor Pneumatik- rotatorisch /linear zylinder Hydraulikmotor Pneumatikmotor Stützschuh Hydraulikzylinder Seilzüge Gestänge E-Motor Pneumatik- Sprunggelenk rotatorisch /linear zylinder Bowdenzüge Stützstrumpf Stabilisierung des: Gestell Hüftgelenkes Bowdenzüge Gestell Stützstrumpf Kniegelenkes Bowdenzüge Gestell Stützstrumpf StUtzschuh Sprunggelenkes Schutzgewebe Polsterungen Abstand zur Haut Bandagen Verhindern von angepaßte Druckstellen Schalen Schutzgewebe Polsterungen Abstand zur Haut Verhindern von angepaßte Scheuern Schalen Gleichgewicht mit über Arme Gleichgewichts- Unterarmgeh- erhalten unterstützender sensor stUtzen Mechanik Tabelle 5.2: Morphologischer Kasten Lösung 2: Anatomische CFK-Schienen mit elektromotorischen Antrieben
    • Lösung 5 Lösung 6 Lösung 7 Lösung 8 Teilfunktion Lösung 1 Lösung 2 Lösung 3 Lösung 4 Schnallen Klettverschlüsse Strumpf (ohne) Reißverschluß Steckverschlüsse Spannverschluß Verschlüsse (Vgl. Rucksack) (Vgl. Skischuh) Strumpfgewebe Bandagen Schalen Körperanbindung: in der Hüfte Strumpfgewebe Bandagen Schalen am Bein Strumpfgewebe Bandagen Schalen Stützschuh der Füße Hydraul ikspeicher Solarzellen Biogas Körperwärme Akku elektrisch Schuhsohlen- Energieauftanken Akku elektrisch Drucklufttank an Oberleitung aufladen generator außer Betrieb aufladen Akku zentral Akkus verteilt Druckluft chemisch Solarenergie Drucktank Energieversorgung Microtaster Lichtschranken Gray-code Positionserkennung mechanisch über induktive Inkremental- der Gelenke Anschläge Endschalter tnaßstab Fuzzy Logic Steuerung elektrisch ASI- mechanisch über Bus an Bus an Bus => SPS Armbewegung Hydraulikventile Pneumatikventile Hydraulikmotor Pneumatikmotor Gestänge Hydraulikzylinder Seilzüge Kraft- und Moment E-Motor Pneumatik- Übertragung im: rotatorisch /linear zylinder Hüftgelenk Hydrauiäkmotor Pneumatikmotor Gestänge Hydraulikzylinder Pneumatik- Seilzüge Kniegelenk E-Motor rotatorisch /linear zylinder Hydraulikmotor Pneumatikmotor Stützschtih Hydraulikzylinder Pneumatik- Seilzüge Gestänge E-Motor Sprunggelenk rotatorisch /linear zylinder Gestell Stützstrumpf Stabilisierung des: Bowdenzüge Hüftgelenkes Bowdenzüge Gestell Stützstrumpf Kniegelenkes Bowdenzüge Gestell Stützstrumpf Stützschuh Sprunggelenkes Schutzgewebe Polsterungen Abstand zur Haut Bandagen Verhindern von angepaßte Druckstellen Schalen Schutzgewebe Polsterungen Abstand zur Haut Verhindern von angepaßte Scheuern Schalen Gleichgewicht mit über Arme Uoterarrogeh- Gleichgewichts- erhalten unterstützender stützen sensor Mechanik Tabelle 5.3: Lösung 3 und 4: Seilzuggesteuerte Orthesen oder hydraulisch angetrieben
    • Ideenfindung 5.3 Vorstellung der Gesamtlösungen Lösung 1: Gestänge-Hebelarmkombination mit Hydraulikantrieb Lösung 2: Anatomische CFK-Schienen mit elektromotorischen Antrieben auf den Gelenkachsen Lösung 3: Seilzuggesteuerte Orthese mit elektromotorischen Antrieben Lösung 4: Seilzuggesteuerte Orthese mit hydraulischen Antrieben 5.3.1 Details, die alle Lösungen aufweisen Alle Lösungen bestehen aus einem System von Bandagen, das zur Einleitung bzw. Abstützung der Momente und zur Befestigung der Antriebe dient. Um einen sicheren Sitz und eine Lastverteilung auf die Weichzonen zu realisieren, was zur Vermeidung von Druckstellen besonders wichtig ist, sind die Bandagen großflächig gestaltet. Jedoch dürfen sie nicht zu groß ausfallen, da sie sonst dem Betroffenen beim Tragen durch das enge Anliegen ein einengendes und somit unangenehmes Gefühl vermitteln. Zudem müssen die Bandagen anisotrope Eigenschaften vorweisen, d.h. sie sind in horizontaler Richtung zwecks Anformung bedingt elastisch und in vertikaler Richtung möglichst steif. Die vertikale Steifigkeit ist nötig, um ein Verrutschen der Antriebskomponenten in Richtung der Körperlängsachse zu verhindern. Weiterhin sollte das Material hautfreundlich und atmungsaktiv sein um den Tragekomfort zu erhöhen. Zum Schutz der Haut kann zusätzlich ein spezieller Orthesen-Unterziehstrumpf verwendet werden. Die Firma ORMED GmbH in Freiburg stellt zum Beispiel einen orthopädischen Strumpf mit folgenden Merkmalen her: • Enger Sitz, wie zweite Haut • Kompression des Gewebes gegen Flüssigkeitsstauungen • Kontrollierte Wärmeentwicklung • geringe Schweißbildung • atmungsaktiv Jörg Hahn & Jens Schlesener 42
    • Ideenfindung Als Verschluß der Bandagen dienen großflächige Klettverschlüsse oder Schnallen. Inwiefern faserverstärkte Schalen Bandagen ersetzen müssen, kann erst nach Modellversuchen von einem Orthopädietechniker oder Orthopäden entschieden werden. Das Sprunggelenk wird nicht motorisch angetrieben. Die Bewegungsfreiheit des Gelenkes wird soweit eingegrenzt, wie es für ein minimales Abrollen nötig ist. In diesem Gelenk wirken die größten Kräfte. Deshalb würde die Erhaltung der vollen Flexibilität dieses Gelenkes für das Gehen mit Ihrem Nutzen dem dafür notwendigen Aufwand nicht gerecht werden. Die Bewegungsfreiheit wird durch einen Stützschuh, soweit wie nötig, eingegrenzt. Da im Sprunggelenk sehr hohe Kräfte herrschen, kann voraussichtlich kein normaler Stützschuh verwendet werden, sondern es müßte ein zum Beispiel durch CFK- Einlagen geschienter Schuh getragen werden. Zur ersten Dimensionierung dient die Faustregel: Die Höhe des Schuhs sollte wenigstens seiner Länge entsprechen. Als Steuerung bzw. Regelung wird eine SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung) verwendet, die ihre Signale z.B. über den Siemens ASI Bus an die entsprechenden Antriebe weiterleitet, bzw. von den Strecken - und Winkelmessern über den Bus erhält. Bei Orthesen mit elektromotorischen Antrieben können die Signale direkt im Antrieb umgesetzt werden, dagegen wirken bei den hydraulischen Antrieben die Signale auf Ventilblöcke, die ihrerseits die Energie des Druckmediums an die Antriebe verteilen. 5.4 Beschreibung der vier Lösungsvorschläge Die Lösungsvorschläge werden anhand einer Symboldarstellung und eines erklärenden Textes vorgestellt. Anschließend werden Vor- und Nachteile tabellarisch dargestellt. Jörg Hahn & Jens Schlesener 43
    • Ideenfindung 5.4.1 Lösung 1: Gestänge-Hebelarmkombination mit Hydraulikantrieb Hüftbandage: Verhindert ein Oberschenkelmotor: Absacken des Beckens beim Hydraulikeinheit muß Schritt im Zusammenspiel mit drehbar dem Hüftgestänge an Hüftbandage befestigt werden Hüftgestänge: Leitet Kraft aus Hüftmotor über Hebelarm zur Hüftgelenkdrehachse in Ober- Oberschenkelbandage: Leitet schenkelbandage ein Moment (aus Versatz von Gelenkdrehpunkt und Bandagen- Unterschenkelmotor: drehpunkt) in Oberschenkel ein Hydraulikeinheit muß drehbar an Oberschenkelbandage be- Oberschenkelbandage: Zur festigt werden Abstützung des Unterschenkel- motors Unterschenkelgestänge: Leitet Kraft aus Unterschenkelmotor über Hebelarm zur Knie- gelenkdrehachse in Unter- schenkelbandage ein Unterschenkelbandage: Leitet Moment (aus Versatz von Gelenkdrehpunkt und Bandagen- drehpunkt) in Unterschenkel ein Stützschuh: Verhindert seitliche Bewegungen; läßt nur geringe Bewegungen um die Körper- querachse zu Bild 5.1: Orthesenbestandteile der Lösung 1 Jörg Hahn & Jens Schlesener 44
    • Ideenfindung Beschreibung der Lösung 1: Gestänge-Hebelarmkombination mit Hydraulikantrieb Diese Orthese wird mittels vier hydraulischer Linearmotoren angetrieben. Zwei sitzen als Oberschenkelmotoren drehbar gelagert außen an der Hüftbandage, die anderen beiden als Lnterschenkelmotoren gleichartig gelagert an den unteren Oberschenkelbandagen. Die drehbare Lagerung ist nötig, um der Beugebewegung des Ober- bzw. Unterschenkels zu folgen und somit eine zu starke Querkraft in den Hydraulikeinheiten zu vermeiden. Die Druck- bzw. Zugkraft des Oberschenkelmotors, die mittels des Hüftgestänges in die Hüftbandage geleitet wird, bewirkt mit dem aus dem Versatz des körpereigenen Gelenkdrehpunktes und dem Bandagendrehpunkt entstehehenden Hebelarm ein Moment, das den Oberschenkel beugt bzw. streckt. Die Befestigung des Hüftgestänges an der Oberschenkelbandage liegt vor dem Hüftgelenkdrehpunkt, so daß beim Einfahren des Kolbens die Hüfte gebeugt und der Oberschenkel angehoben wird. Beim Unterschenkelmotor geschieht die Kraft- und Momentübertragung mittels Gestänge und Hebelarm auf die gleiche Art. Hier ergibt sich der Hebelarm aus dem Abstand des Befestigungspunktes des Unterschenkelgestänges an der Unterschenkelbandage zu dem natürlichen Kniegelenkdrehpunkt. Kraft und Moment bewirken somit beim Einfahren des Kolbens eine Beugung des Kniegelenkes. Das Sprunggelenk wird nicht motorisch angetrieben, sondern durch den anfangs beschriebenen Stützschuh geführt. Als ein Vorteil ist die Einfachheit der Wartung zu sehen, die sich im wesentlichen auf eine Sichtprüfung der Hydraulikteile und der Befestigungspunkte beschränkt. Durch das geringe Leistungsgewicht der Hydraulik ist ein geringes Gesamtgewicht der Orthese zu erwarten, auch trägt die Orthese durch die kleinen Baumaße nicht so auf, was dem Design zugute kommt. Zudem ist die Möglichkeit der schnellen Primärenergieaufladung über einen Drucktank positiv zu werten. Negativ fällt die Notwendigkeit der exakten Anpassung der Orthesendrehpunkte an die natürlichen Körperdrehpunkte auf. Dies ist absolut nötig zur Vermeidung von Körperschäden durch unsachgemäße Einleitung der Bewegung. Die Befestigungspunkte der Antriebe und des Gestänges dienen gleichzeitig als Gelenke und können somit nicht großflächig gestaltet werden. Da sie aber die gesamten Stützkräfte weiterleiten müssen, unterliegen sie einem hohen Verschleiß, was eine regelmäßige Reparatur erfordert. Gleichzeitig führen die Befestigungspunkte der Orthese zu Instabilität Jörg Hahn & Jens Schlesener 45
    • Ideenfindung und damit zu erheblichen Unsicherheiten im Gang. Dies läßt sich nur durch hohen Trainingsaufwand kompensieren. Jedoch wird eine Orthese mit einem zu hohen notwendigem Trainingsaufwand von den Betroffenen nicht akzeptiert. Um eine Verstärkung dieser Instabilität zu vermeiden, muß das Gestänge sehr steif ausgeführt werden, da es einem hohen Biegemoment ausgesetzt wird. Beim Sitzen können die Unterschenkelmotoren und das Gestänge störend wirken. Zuletzt ist anzumerken, daß zur Einhaltung des Medizinproduktgesetzes in Bezug auf den Betroffenen und seine Umwelt die mechanischen Kräfte und die Verträglichkeit des Druckmediums zu beachten sind. Vorteile: Nachteile: • Körperdrehpunkte müssen exakt • Kleine Hydraulikbaumaße angepaßt werden • Nutzer wartet Orthese ausschließlich • Schienen können beim Sitzen stören über Sichtprüfung • Stützkräfte wirken auf Gelenke der • Schnelle Energieaufladung über Orthese Drucktank • Durch die hohen mechanischen • Geringes Gewicht durch hohe Belastungen der Gelenke ist eine Hydraulikleistungen bei kleinen Bauteilen intensive Wartung der Gelenke durch einen Fachmann notwendig • Hohe Biegebelastung des Becken- gestänges • Hoher Trainingsaufwand durch geringe Stabilität Bei Einhaltung des Medizinproduktgesetzes müssen mechanische Kräfte und die Verträglichkeit des Druckmediums beachtet werden. Jörg Hahn & Jens Schlesener 46
    • Ideenfindung 5.4.2 Lösung 2: Anatomische CFK-Schienen mit elektromotorischen Antrieben auf den Gelenkdrehachsen CFK-Hüftschiene: Stabilisiert das Becken; dient zur Moment- abstützung des Hüftelektromo- tors Hüftbandage: Verhindert ein Absacken des Beckens beim Schritt im Zusammenspiel mit Hüftelektromotor: Auf Gelenk- der CFK-Hüftschiene achse zentriert; Abmaße entwe- der großer Radius und flach oder länglich und Rotation über Ke- gelradgetriebe an Gelenkachse geführt Oberschenkelbandage: Leitet Moment aus CFK-Ober- schenkelschiene in den Ober- CFK-Oberschenkelschiene: schenkel ein Leitet Moment aus Hüftelek- tromotor in Oberschenkelban- dagen ein; dient zur Momentab- Oberschenkelbandage: Dient stützung des Knieelektromotors der Momentabstützung des Knieelektromotor: Auf Ge- Knieelektromotors lenkachse zentriert; Abmaße entweder großer Radius und flach oder länglich und Rotation über Kegelradgetriebe an Ge- Unterschenkelbandage: Leitet lenkachse geführt Moment aus Knieelektromotor in Unterschenkel ein CFK-Unterschenkelschiene: Leitet Moment aus Knieelek- tromotor in Unterschenkelban- dage ein Stützschuh: Verhindert seitliche Bewegungen; läßt nur geringe Bewegungen um die Körper- querachse zu Bild 5.2: Orthesenbestandteile der Lösung 2 Jörg Hahn & Jens Schlesener 47
    • Ideenfindung Beschreibung der Lösung 2: Anatomische CFK-Schienen mit elektromotorischen Antrieben auf den Gelenkdrehachsen Hauptmerkmale dieses Orthesenkonzeptes sind die CFK-Schienen und die elektromotorischen Antriebe auf den Gelenkachsen. Die CFK-Schienen bestehen aus drei Teilen, der Hüftschiene, der Oberschenkelschiene, und der Unterschenkelschiene. Zwischen den CFK-Schienen sitzen die elektromotorischen Antriebe. Ein Antrieb sitzt in Höhe der Hüftgelenkdrehachse, der andere ist auf der Kniegelenkdrehachse plaziert. Die Anbindung der Orthese an den Körper erfolgt über Bandagen, die Hüftbandage am Oberkörper, zwei Oberschenkelbandagen und eine Unterschenkelbandage. Das Sprunggelenk wird mit dem Stützschuh stabilisiert. Die Elektromotoren werden mit Strom aus Akkus versorgt. Die Akkus können nahe an den einzelnen Motoren plaziert werden. So wird eine günstigere Gewichtsverteilung im Vergleich zu einem einzelnen zentralen Akku erreicht. Dies ist besonders wichtig, wenn man die geringe Leistungsdichte bei elektrischer Energieversorgung bedenkt. Bei den Motoren selbst bieten sich zwei Varianten zur Dimensionierung an. Sie können sehr flach aber dafür mit großem Durchmesser ausgelegt werden, wie im Bild dargestellt, oder sie werden länglich mit geringem Durchmesser dimensioniert. Bei beiden Varianten muß die Antriebsachse genau mit der Gelenkdrehachse übereinstimmen. Das heißt, die Motordrehachse des flachen Motors fluchtet genau mit der Gelenkachse. Die Motordrehachsen der länglichen Variante müßten parallel zur Längsachse des Beines verlaufen, damit die Orthese in ihren Abmaßen nicht zu breit wird. Um die Antriebsachse in eine Flucht mit der jeweiligen Gelenkdrehachse zu bringen, muß ein Getriebe zum Beispiel mit Kegelrädern vorgesehen werden. Die Übereinstimmung der Achsen ist sehr wichtig, um Schäden am Gelenk und den Knochen zu vermeiden. Da die Knochenstruktur eines Querschnittgelähmten durch mangelhafte Versorgung mit Mineralstoffen geschwächt ist, nimmt sie um ein vielfaches schneller Schaden als gesunde Knochen. Diese Problematik tritt verstärkt im Kniegelenk auf, weil das Kniegelenk keine reine Rotation in Bewegung ausführt. Hier überlagert sich die Rotation mit einer Scherbewegung. Im Modellversuch kann geklärt werden, ob über eine Einschränkung der Bewegungsfreiheit auf einen geringen Winkel, der zum Gehen nur notwendig ist, dieses Problem in einem Jörg Hahn & Jens Schlesener 48
    • _____________________________________________________________ Ideenfindung medizinisch vertretbaren Rahmen gehalten wird. Im Hüftgelenk ist eine reine Rotation um eine Körperquerachse möglich. Zur Einhaltung bestimmter Positionen, beispielsweise im Stand, muß eine extra Mechanik vorgesehen werden, die die Gelenke in den Positionen blockiert. Diese Mechanik kann konstruktiv einfach in das Getriebe zur Umsetzung der Antriebsachse beim länglichen Motor integriert werden. Die Momente der Motoren werden über die Hebelarme der CFK-Schienen in Kräfte umgewandelt. Die CFK-Schienen werden der Körperform genau angepaßt, so daß sie nicht zu Druckstellen führen und auch nicht voluminös auftragen. Durch die Verwendung von kohlefaserverstärkten Kunststoffen wird Gewicht gespart, was insbesondere bei der Verwendung eines relativ schweren elektromotorischen Antriebes notwendig ist. Die Schienen selbst müssen ein Profil erhalten, das besonders steif gegenüber Torsionsbelastungen und Biegebelastungen ist, um der Orthese genügend Stabilität zu geben. Erfahrungen mit CFK-Schienen in der Orthopädietechnik haben gezeigt, daß die Verbindungsstellen von CFK-Schienen zu Gelenken aus Metall sehr problematisch sind. Die Materialien vertragen sich im Zusammenspiel nicht gut, und es kommt zu Ablösungen und einem Ausbrechen der Schienen. Aus diesem Grund muß den Verbindungsstellen der Schienen an die Motoren und an die Bandagen bzw. Schalen schon im Vorfeld bei der Konstruktion große Aufmerksamkeit geschenkt werden. Die Kräfte aus den Schienen werden hier über besondere Bandagen in den Körper eingeleitet. Um die Kräfte optimal zu übertragen, müssen die Bandagen in den Belastungsrichtungen sehr steif sein, dürfen aber zugleich keine Druckstellen verursachen. Hier können neben den Bandagen auch Schalen aus faserverstärkten Kunststoffen verwendet werden. Die Versorgung mit CFK-Schalen für bestimmte Bereiche muß hier in Absprache mit dem jeweiligen Patienten und einem Orthopädietechniker erfolgen, weil bei jedem Betroffenen andere problematische Körperbereiche besonders unterstützt werden müssen. Die Hüftbandage und die Hüftschiene stellen die Verbindung zum Oberkörper dar. Jörg Hahn & Jens Schlesener 49
    • Ideenfmdung Mit Hilfe von Unterarmstützen kann über diese Verbindung das Gleichgewicht gehalten werden. Die Bandagen an den Beinen dienen nur zur Übertragung der Kräfte. Das Sprunggelenk wird nicht motorisch angetrieben, sondern durch den anfangs beschriebenen Stützschuh geführt. Wird der Stützschuh auch über Schienen mit der Orthese verbunden, kann das Gewicht der Orthese direkt über die Schuhe am Boden abgestützt werden. Dieser selbsttragende Effekt ist zur Gewichtsentlastung des Patienten sicherlich positiv anzusehen, unterstützt aber auch die gesamte Steifigkeit des Systems hinsichtlich der Harmonie des Bewegungsablaufes. Durch den elektromotorischen Antrieb sind die Freiheitsgrade der Orthese bereits sehr eingeschränkt. Somit wird es voraussichtlich zu einem eckigen Gangbild kommen, das durch eine durchgehende, steife Orthese vom Oberkörper bis zum Fuß noch verstärkt wird. Die Orthese ist aus vergleichsweise wenig Einzelteilen aufgebaut. Die seitliche Führung der Schienen ist vorteilhaft bei der Handhabung der Orthese zum Beispiel beim An- und Ablegen. Dadurch, daß die Sitzflächen (Oberschenkel und Gesäß) frei geblieben sind, ist ein Hinsetzen mit der Orthese ohne weiteres möglich. Jörg Hahn & Jens Schlesener 50
    • Ideenfindung Lösung 2: Anatomische CFK-Schienen mit elektromotorischen Antrieben auf den Gelenkdrehachsen Vorteile: • Sehr genaues Anpassen bzw. Anlegen • Sitzen ist gut möglich, weil an notwendig, da die Antriebsachsen Oberschenkelbeuger und Gesäß keine genau mit den anatomischen Applikationen vorhanden sind Gelenkachsen übereinstimmen • Einfacher Aufbau aus vergleichsweise müssen wenigen Einzelteilen • Vergleichsweise große Baumaße der Elektromotoren • Zusätzliche Sperre zum Halten in bestimmten Positionen notwendig • Schäden der Gelenke durch falsches Positionieren der Drehachsen möglich • Akku-Handling erfordert lange Ladezeiten • Starke Biegebelastung der Schienen und Gelenkwellen durch notwendige Stabilisation des Beckens • Wenig Flexibilität, daher entsteht voraussichtlich ein „eckiges Gangbildquot; • Hohes Gewicht der Elektromotoren Nachteile: erfordert höheren Trainingsaufwand Bei Einhaltung des Medizinproduktgesetzes muß auf mechanische Kräfte und elektrische Spannungen geachtet werden. Jörg Hahn & Jens Schlesener 51
    • Ideenfindung 5.4.3 Lösung 3: Seilzuggesteuerte Orthese mit elektromotorischen Antrieben Schulterträger: Nimmt Kräfte aus Beckenheber auf Hüftbandage: Stützt elektro- motorische Antriebe für Bewe- gungen des Oberschenkels ab; Beckenheber: Verhindert ein elektromotorische Antriebe sind Absacken des Beckens beim in die Bandage integriert Schritt im Zusammenspiel mit dem Schulterträger; ermöglicht ein Anheben des Beckens Oberschenkelstrecker innen und rückseitig Oberschenkel- beuger innen: Für Oberschenkel Streck- und Beugebewegungen Oberschenkelstrecker außen und für Bewegungen seitwärts und rückseitig Oberschenkel- beuger außen: Für Oberschen- Seilzugfiihrung: Der mensch- kel Streck- und Beugebewegun- lichen Anatomie nachempfundene gen und für Bewegungen seit- gekreutzte Führung wärts Oberschenkelbandage: Nimmt Oberschenkelgurt: Unterstützt Kräfte aus Unterschenkel Antrie- die Funktionen der Hüftbandage; ben auf führt die Oberschenkelzüge Seilzuganbindung: Der mensch- lichen Anatomie nachempfundene Unterschenkelstrecker und aufgefächerte Anbindung rückseitig Unterschenkelbeu- ger: Können zur Gelenkent- Unterschenkelbandage: Nimmt lastung auch paarweise gekreuzt Kräfte aus Unterschenkelstrecker wie am Oberschenkel angeord- und Unterschenkelbeuger auf net werden Verbindungsband: Verbindet Stützschuh: Nimmt Kräfte in die Orthese mit dem Stützschuh, der Körperlängsachse auf; ver- somit ist im Zusammenspiel mit hindert seitliche Bewegungen der Hüftbandage und dem Ober- des Fußes; läßt nur geringe Be- schenkelgurt kein Verrutschen wegungen des Fußes um die entlang der Körperlängsachse Körperquerachse zu möglich Jörg Hahn & Jens Schlesener 52
    • Ideenfindung Bild 5.3: Orthesenbestandteile der Lösung 3 Lösung 3: Seilzuggesteuerte Orthese mit elektromotorischen Antrieben Vorteile: Nachteile: • Elektromotoren benötigen größeren Verwendung der körpereigenen Einbauraum als Hydraulikmotoren Drehpunkte mit gleicher Leistung Sitzmöglichkeit durch geführte Züge • Elektromotoren besitzen ein we- gegeben sentlich höheres Leistungsgewicht Einfache, platzsparende Energie- als Hydraulikmotoren zufuhr zu den Einzelantrieben • Die Elektromotoren erfordern eine Sehr große Anlehnung an mensch- zusätzliche Sperrfunktion der Ge- liche Anatomie lenke. Dadurch wird die Steuerung Große Flexibilität im Gangbild bei umfangreicher und aufwendiger optimaler Steuerung • Bedingt durch das höhere Gewicht kann ein größerer Trainingsaufwand nötig sein • Der komplexe Aufbau erfordert Sorgfalt beim Anlegen der Orthese • Bei der Wartung sind viele kleine Motoren zu prüfen Bei der Erfüllung des Medizinproduktgesetzes sind in Bezug auf den Patienten die auftretenden Kräfte und Spannungen zu beachten. Jörg Hahn & Jens Schlesener 53
    • Ideenfindung 5.4.4 Lösung 4: Seilzuggesteuerte Orthese mit hydraulischen Antrieben Schulterträger: Nimmt Kräfte Hüftbandage: Stützt hydrauli- aus Beckenheber auf sche Antriebe für Bewegungen des Oberschenkels ab; Hydrau- Beckenheber: Verhindert ein likzylinder sind in die Bandage Absacken des Beckens beim integriert Schritt im Zusammenspiel mit dem Schulterträger; ermöglicht Oberschenkelstrecker innen ein Anheben des Beckens und rückseitig Oberschenkel- beuger innen: Für Oberschenkel Streck- und Beugebewegungen Oberschenkelstrecker außen und für Bewegungen seitwärts und rückseitig Oberschenkel- beuger außen: Für Oberschen- Seilzugführung: der mensch- kel Streck- und Beugebewegun- lichen Anatomie nachempfundene gen und für Bewegungen seit- gekreutzte Führung wärts Oberschenkelbandage: Nimmt Oberschenkelgurt: Unterstützt Kräfte aus Unterschenkel Antrie- die Funktionen der Hüftbandage; ben auf führt die Oberschenkelzüge Seilzuganbindung: Der mensch- lichen Anatomie nachempfundene Unterschenkelstrecker und aufgefächerte Anbindung rückseitig Unterschenkelbeu- ger: Können zur Gelenkent- lastung auch paarweise gekreuzt Unterschenkelbandage: Nimmt wie am Oberschenkel angeord- Kräfte aus Unterschenkelstrecker net werden und Unterschenkelbeuger auf Verbindungsband: Verbindet Stützschuh: Nimmt Kräfte in die Orthese mit dem Stützschuh, der Körperlängsachse auf; ver- somit ist im Zusammenspiel mit hindert seitliche Bewegungen der Hüftbandage und dem Ober- des Fußes; läßt nur geringe Be- schenkelgurt kein Verrutschen wegungen des Fußes um die entlang der Körperlängsachse Körperquerachse zu möglich Bild 5.4: Orthesenbestandteile der Lösung 4 Jörg Hahn & Jens Schlesener 54
    • Ideenfmdung Lösung 4: Seilzuggesteuerte Orthese mit hydraulischen Antrieben Vorteile: Nachteile: Verwendung der körpereigenen • Die Energiezufuhr erfordert einen Drehpunkte größeren Einbauraum Sitzmöglichkeit durch geführte Züge • Der komplexe Aufbau erfordert gegeben Sorgfalt beim Anlegen der Orthese Die Antriebe können durch ihren kleinen Einbauraum in die Bandagen integriert werden Durch das geringe Leistungsgewicht der Antriebe ist das Gewicht der Orthese nicht zu groß Das geringe Gewicht der hy- draulischen Antriebe begünstigt einen schnellen Trainingserfolg Sehr große Anlehnung an mensch- liche Anatomie Große Flexibilität im Gangbild bei optimaler Steuerung Bei der Wartung ist nur eine Sicht- prüfung notwendig Bei Einhaltung des Medizinproduktgesetzes müssen mechanische Kräfte und die Verträglichkeit des Druckmediums beachtet werden. Jörg Hahn & Jens Schlesener 55
    • _____________________________________________________________ Ideenfindung Beschreibung der Lösungen 3 und 4 Die Lösungsvorschläge 3 (Seilzuggesteuerte Orthese mit elektromotorischen Antrieben) und 4 (Seilzuggesteuerte Orthese mit hydraulischen Antrieben) sind sich im Aufbau sehr ähnlich. Bei beiden Orthesen wird die Bewegung durch Längenänderungen von Seilzügen hervorgerufen. Sie unterscheiden sich lediglich durch die Energieversorgung. Lösung 3 wird elektrisch angetrieben, Lösung 4 über ein Hydrauliksystem. Die Orthesen bestehen auch wie die vorangegangenen aus einem Bandagensystem. Dieses besteht aus: • einem Schulterträger, der mit einem Hosenträger vergleichbar ist; • einer breiten Hüftbandage und einem daran angebundenen Oberschenkelgurt; beides zusammen bildet eine stabile Anbindung der Hüfte, wie zum Beispiel ein alpines Klettergeschirr; • einer Oberschenkelbandage; • einer Unterschenkelbandage und • dem Stützschuh, der über Verbindungsbänder mit der Unterschenkelbandage verbunden ist. Der Antrieb ist der menschlichen Anatomie nachempfunden. Die Gliedmaßen werden über Muskelkontraktionen, die lineare Verkürzungen der Muskeln sind, bewegt. Diese linearen Verkürzungen werden durch Hydraulikzylinder (Lösung 4) oder durch Elektroantriebe (Lösung 3) erzeugt. Bei den Elektroantrieben können entweder Elektrolinearmotoren oder gewöhnliche Elektromotoren mit einem Getriebe, das die rotatorische Bewegung in eine Linearbewegung umwandelt, verwendet werden. Die Linearmotoren können: • die Hüfte einseitig anheben, • den Oberschenkel und Unterschenkel beugen und strecken, • und den Oberschenkel seitwärts bzw. wieder zurück nach Innen bewegen. Jörg Hahn & Jens Schlesener 56
    • Ideenfindung Die durch die Linearmotoren hervorgerufenen Bewegungen werden über Seilzüge an die Bandagen weitergeleitet und so auf das Skelett übertragen. Die Seilzüge sind ein Ersatz der Sehnen, die die Längenänderungen der Muskeln, in diesem Fall der Antriebe, auf die Knochen übertragen und so Bewegungen aller Freiheitsgrade, die die Gelenke ermöglichen, ausüben. Ein Schritt beginnt mit dem Anheben des Spielbeins. Dabei muß die Hüfte stabilisiert werden, damit sie nicht mit dem Spielbein absackt. Diese Stabilität wird durch den Schulterträger gegeben. Hierbei wird das Prinzip der Umkehr des punktum fixum und des punktum mobile angewendet. Beim Gang eines gesunden Menschen ist die Hüfte der punktum Fixum. Sie bleibt als Fixpunkt stehen, während der Oberkörper darüber beim Schritt die Gewichtsverlagerung nach vorne vollzieht, damit der Körperschwerpunkt zusammen mit dem Spielbein nach vorne wandert. Hierbei ist die Schulter der punktum mobile. Durch die Verwendung von Unterarmgehstützen wird beim Gehen mit der Orthese die Schulter zum punktum fixum. Der Querschnittgelähmte kann sich mit den Armen über die Unterarmgehstützen am Boden abstützen. An der seitlichen Hüfte ist der Beckenheber in der Hüftbandage plaziert. Beim Anheben des Spielbeins zum Schritt verhindert dieser Linearmotor ein Absacken der Hüfte und ermöglicht darüber hinaus das Anheben des Beckens. Diese Bewegung wird über die Bowdenzüge seitlich an den Schulterträger geleitet. Der Schulterträger leitet die Kräfte weiter über die Schulter und den Arm in die Unterarmgehstütze in den Boden. Über die Beinmotorik erfolgt gleichzeitig ein Schritt. Durch das Abdrücken mit der Unterarmgehstütze vom Boden wird der Körperschwerpunkt über das Spielbein gebracht, bis dieses zum Standbein wird. Die Bewegungen des Oberschenkels werden über die Oberschenkelstrecker und -beuger ausgeführt. Zwei Linearmotoren sind für das Anheben des Oberschenkels vorgesehen und zwei für die gegenläufige Bewegung. Ein Motor zum Anheben des Oberschenkels ist etwas unterhalb des Bauchnabels in die Hüftbandage integriert, der andere ist seitlich in der Hüftbandage plaziert. Die Kräfte der Motoren werden über Bowdenzüge verteilt. Die Züge haben große Vorteile. Sie passen sich durch ihre Flexibilität von selbst an die Körperoberfläche an und können bei kleinen Abmaßen große Kräfte übertragen. Dadurch wird Gewicht eingespart und die Züge tragen nicht voluminös auf, so daß nicht der Jörg Hahn & Jens Schlesener 57
    • _____________________________________________________________ Ideenfindung Eindruck erweckt wird, hier würde eine große und schwere Apparatur getragen. Die Seilzüge der beiden Zylinder verlaufen vor dem Oberschenkel gekreuzt, d.h. vom Bauchnabel aus entlang der Hüfte um den Oberschenkel herum auf die Außenseite des Oberschenkels zur Oberschenkelbandage bzw. von der äußeren Hüfte um den Oberschenkel herum auf die Innenseite des Oberschenkels zur Oberschenkelbandage. Auf dem Oberschenkelgurt können Führungsschlaufen angebracht werden, damit ein Aneinanderscheuern der Bowdenzüge verhindert wird. Durch die gekreuzte Führung der Züge kann der Oberschenkel in einer für die Bewegung in den Gelenken optimalen Position zentriert werden. So wird die Bahn einer natürlichen Bewegung verfolgt. Dies schont die Gelenke, wie es die Natur vorgesehen hat, denn die Muskulatur zentriert die Gelenkpunkte optimal zueinander. Ziehen die beiden Oberschenkelbeuger an, verkürzen sich die Bowdenzüge und der Oberschenkel wird zur Hüfte hin angezogen. Die umgekehrte Bewegung erfolgt durch die Oberschenkelstrecker, die genau wie die Beuger angeordnet sind, aber auf der Körperrückseite liegen. Durch eine Verkürzung der Oberschenkelstrecker werden die Beuger wieder in die Länge gezogen. Die Bewegung des Unterschenkels erfolgt nach dem gleichen Prinzip wie die Bewegung des Oberschenkels. Im Bild ist hier nur eine einfache Führung der Seilzüge zu erkennen. Die gekreuzte Führung ist aber auch hier, aus den oben genannten Gründen, zu bevorzugen. Im Bild erkennt man gut die aufgefächerte Anbindung der Bowdenzüge an die Bandagen. Diese Anbindung entspricht auch der natürlichen Physiologie. Dort, wo die Sehnen an die Knochen angewachsen sind, werden sie flach und breit, damit die Kraft des Muskels nicht nur an einem Punkt in den Knochen eingeleitet sondern verteilt wird. Durch die aufgefächerte Anbindung der Seilzüge wird dieser Effekt nachgebaut. Die Anbindungspunkte zur Bandage werden entlastet und somit können die Bandagen mit ihrer gesamten Oberfläche ein Verrutschen verhindern. Dadurch wird dem Entstehen von Scheuer- und Druckstellen vorgebeugt. Es ist vorteilhaft, sämtliche Seilzüge der Orthese auf diese Art und Weise mit den Bandagen zu verbinden. Der Stützschuh wird durch mehrere Verbindungsbänder mit der Unterschenkelbandage verbunden. So entsteht eine durchgehende Verbindung der Orthese vom Fuß bis zur Schulter. Die durchgehende Verbindung der Orthese entlang des gesamten Körpers ist sehr Jörg Hahn & Jens Schlesener 58
    • Ideenfindung wichtig für die Steifigkeit. Der Gelähmte wird bei dieser Orthese nur durch Zugkräfte aufrecht gehalten. Dies ergibt sich aus der Verwendung der flexiblen Bowdenzüge, die keine Druckkräfte der vorgesehenen Größenordnungen übertragen können. Durch den lückenlosen Verbund der Orthese entlang der Körperlängsachse kann nur über Zugkräfte eine sehr hohe Stabilität der Orthese gewährleistet werden. Ein Zusammensacken des Unterkörpers in eine nicht vorgesehene Richtung wird durch ein Anziehen der auf der Gegenseite liegenden Bowdenzüge verhindert. Die hohe Stabilität ist im Vergleich zur Abstützung durch Schienen gegeben, weil hier keine Biegebelastungen und keine Belastungen mechanisch empfindlicher Gelenke auftreten können. Im Bild sind zwei Möglichkeiten die Antriebe zu plazieren dargestellt. Die Motoren können zwischen den Bandagen untergebracht werden, wie im Bild am Oberschenkel. Dies entspricht der Anatomie. Durch die Verschiebungen infolge der Längenänderungen können bei dieser Anordnung aber leicht Scheuerstellen entstehen. Besser können die Motoren in die Bandagen integriert werden. So sind sie fest in die Orthese eingebaut und können auch beim Handling der Orthese nicht stören. Die unterschiedlichen Antriebsarten der beiden Lösungen 3 und 4 wirken sich auf die Art der Steuerung aus. Im Vergleich zur menschlichen Anatomie stellt die Steuerung oder Regelung die kontrollierte Innervation der Muskeln dar. Beim Antrieb über Elektromotoren wird die rein elektrische Steuerung oder Regelung verwendet. Zum Einhalten bestimmter Positionen müssen hierbei im entsprechenden Augenblick Gelenksperren angesteuert werden. Dies entfällt bei der hydraulisch angetriebenen Orthese, da hier ein geschlossenes Ventil die Hydraulikzylinder fest in der bestimmten Position hält. Im ersten Schritt ist eine Steuerung oder Regelung für das hydraulisch angetriebene System ähnlich aufgebaut. Die Signale der SPS werden über das Bussystem an einen oder mehrere Ventilblöcke weitergeleitet. Diese verteilen die Energie des Druckmediums weiter an die Hydraulikzylinder, an denen sie im jeweiligen Augenblick benötigt wird. Jörg Hahn & Jens Schlesener 59
    • Ideenfmdung 5.5 Vergleich der vier Lösungen Zum objektiven Vergleich dieser Gesamtlösungen benötigt man definierte und gewichtete Bewertuiigskriterien. Die Definitionen der Bewertungskriterien stammen aus Gesprächen mit Betroffenen. Sie beschreiben zugleich auch die technischen Probleme. Hier eine Aufstellung der Kriterien und Ihre Erläuterung. 1. Einhaltung des Medizinproduktgesetzes Jedes medizinische Produkt unterliegt dem Medizinproduktgesetz, in dem die Sicherheit für die Person und die Umwelt beschrieben ist. Erst wenn es dessen Kriterien erfüllt, darf es auf den Markt. 2. Gleichgewicht mit Stützen Ein gesunder Mensch hält sein Gleichgewicht unter anderem durch Verlagern des Oberkörpers, wobei als Drehpunkt das Becken dient. Da die Motorik des Beckens bei den Betroffenen nicht funktioniert, können sie nur mit Hilfe von Unterarmstützen das Gleichgewicht halten. Somit muß die Orthese die Hände und Arme des Betroffenen auf jeden Fall frei halten bzw. darf das Tragen der Orthese den Gebrauch der Unterarmstützen nicht beeinträchtigen. 3. Hohe Stützfunktion Im vorherigen Abschnitt wird die Notwendigkeit der von der Orthese aufzubringenden Stützfunktion bereits beschrieben. Sie muß so groß sein, daß die Person nicht in sich zusammen sackt. Technisch zu realisieren ist diese Stützfunktion entweder mit einem sehr steifen Gerüst oder einer Nachahmung der muskulären Stützfunktion. Das steife Gerüst hat den Nachteil, daß es sehr klobig wirkt und nur einen sehr unnatürlichen Gang ermöglicht. 4. Keine negativen Auswirkungen auf den Körper Durch die Orthese und ihre Benutzung darf der Organismus der Person nicht zusätzlich geschädigt werden wie z.B. durch Knochenbrüche, übermäßiger Gelenkverschleiß, usw. Das ist am besten zu realisieren, indem die Orthese neben der Stützfunktion auch Jörg Hahn & Jens Schlesener 60
    • ____________________________________________________________ Ideenfindung die fehlenden Funktionen der Muskulatur übernimmt, soweit dies technisch möglich ist. 5. Kleine Stufen < 10 cm Mit Hilfe der Orthese muß es möglich sein, kleine Stufen mit einer Höhe von maximal 10 cm zu überwinden. Dies wäre dann neben dem Stehtraining ein weiterer Vorteil der Orthese gegenüber einem Rollstuhl. Anderenfalls benutzt jeder Querschnittgelähmte weiterhin seinen Rollstuhl, da dieser bequemer und einfacher zu handhaben ist. Das technische Problem besteht hierbei im Bereitstellen der ausreichenden Kraft. Die Kraft muß groß genug sein, um das Körpergewicht und das der Orthese durch Strecken des Knies hoch zu drücken. 6. Geringes Gewicht Dies ist nötig, um eine zusätzliche Belastung des Körpers zu verhindern. Einerseits verkürzt ein geringes Gewicht den zum Gehen nötigen Trainingsaufwand und andererseits verringert sich der Kraftaufwand der Person. Dafür müssen leichte Werkstoffe wie Aluminiumlegierungen, Titan, carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK) und glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK) verwendet werden, die dennoch die gewünschte Festigkeit besitzen. 7. Ansprechendes Design In der Orthese sollten Form und Funktion ein vernünftiges Gesamtkonzept bilden, um einerseits die Akzeptanz der betroffenen Person zur Orthese, andererseits die Akzeptanz der Person in der Öffentlichkeit zu steigern. Dies ist z.B. möglich, indem man die Orthese stark an die menschliche Anatomie anlehnt. 8. Treppen steigen Später sollte es möglich sein, mit Hilfe der Orthese Treppen steigen zu können. Hier besteht dieselbe Schwierigkeit im Bereitstellen der nötigen Kraft wie bei den kleinen Stufen, jedoch wird der Beugewinkel und somit der Aufwand meist größer, da die Treppen in der Regel eine größere Tritthöhe erfordern. Jörg Hahn & Jens Schlesener 61
    • Ideenfindung 9. Geringer Trainingsaufwand Studien haben gezeigt, daß Orthesen, deren Handhabung ein großes Maß an Trainingsaufwand erfordern, vom Markt nicht akzeptiert werden. Von den Personen wird dann weiterhin der Rollstuhl bevorzugt, da dieser ihrer Meinung nach nur Vorteile besitzt. Das einzige Manko des Rollstuhls sei die Sitzhöhe und die Benötigung von Hilfe beim Bewältigen von Stufen. 10. Einfaches Anlegen möglich Die Akzeptanz der Orthese ist nur dann gegeben, wenn sie leicht und unkompliziert anzulegen ist, da sonst der Betroffene, wie im Punkt „Geringer Trainingsaufwandquot; bereits erwähnt, den Rollstuhl aus Bequemlichkeit vorzieht. 11. Geringer zeitlicher Wartungsaufwand Um eine kontinuierliche Benutzung der Orthese zu erreichen, muß der zeitliche Wartungsaufwand so gering wie möglich gehalten werden. Nur so kann die Akzeptanz der Orthese auf Dauer gewährleistet sein. Meinung eines Betroffenen: quot;Was bringt mir eine Orthese, die mehr Zeit in der Werkstatt als im Gebrauch ist?quot; 12. Preis Der Preis darf nicht ins Unermäßliche steigen, da sonst die Krankenkassen sich weigern würden, die Kosten voll zu übernehmen. Auch wäre so eine ausreichende Versorgung der Rehabilitationskliniken und Krankengymnasten nicht möglich. 13. Sitzmöglichkeit Dies ist mit eine Grundvoraussetzung, da die Orthese im Sitzen angelegt wird. Auch ist das Sitzen zum Ausruhen nötig, da gerade in der Anfangsphase das Gehen, da es ungewohnt ist, größere Anstrengungen erfordert. Diese Bewertungskriterien werden gegeneinander verglichen und somit eine Gewichtung erreicht (Tabelle 5.4). Der Vergleich erfolgt durch die Frage, ob das eine Kriterium wichtiger ist als das andere. Ist das in der Zeile stehende Kriterium wichtiger, so erhält das Jörg Hahn & Jens Schlesener 62
    • Ideenfindung Kreuzfeld eine „1quot;, wenn es umgekehrt ist, dann eine „0quot;. Durch die Art der Anordung der Kriterien erreicht man, daß jede Kriteriumspaarung zweimal hinterfragt wird, was zur Kontrolle der Objektivität der Antworten auf die Fragen von Vorteil ist. Zur Auswertung wird die Summe der „1quot; von jeder Zeile und die Summe der „0quot; von jeder Spalte gebildet. Aus diesen beiden Summen wird das Mittel gebildet, was den Bewertungsfaktor des Kriteriums darstellt. In Gesprächen mit Betroffenen erfolgt ein nochmaliger Vergleich der nahe beieinander liegenden Faktoren. Es zeigt die Notwendigkeit einer Korrektur einiger Faktoren mittels Korrektursummanden. Da die Kriterien „Kleine Stufen < 10 cmquot; und „Sitzmöglichkeitquot; jeweils Grundanforderungen an die Orthese darstellen, werden sie um einen Punkt angehoben. Dies ist nötig, um ihre Wichtigkeit gegenüber den anderen Kriterien hervorzuheben. Die Korrektur des Kriteriums „Ansprechendes Designquot; erfolgt aus der Notwendigkeit der Akzeptanz der Orthesen vom Umfeld des Betroffenen. Denn nur wenn das Umfeld die Orthese genauso normal betrachtet wie den Rollstuhl, fühlt der Betroffene sich wohl und wird im Tragen der Orthese bestärkt. Weiterhin werden die Kriterien „Geringer Trainingsaufwandquot; und „Geringer zeitlicher Wartungsaufwandquot; zur Angleichung aufgewertet. Das Kriterium Preis wird um einen Punkt angehoben, da es sonst mit Null Punkten aus der Wertung fallen würde. Der endgültige Bewertungsfaktor spiegelt nun den Wichtigkeitsgrad des einzelnen Kriteriums wieder. Dieser Aufwand zeigt, wie wichtig diese Kriterien und ihre zugehörigen Faktoren für einen objektiven Vergleich der Gesamtlösungen sind. Jörg Hahn & Jens Schlesener
    • Ideenfindung wirkungen auf den Körper 7. ansprechendes Design 4. keine negativen Aus- 5. kleine Stufen <10 cm Medizinproduktgesetz 10. einfaches Anlegen 11. geringer zeitlicher 3. hohe Stützfunktion (Form und Funktion) 6. geringes Gewicht 2. Gleichgewicht mit 13. Sitzmöglichkeit Wartungsaufwand Trainingsaufwand 8. Treppensteigen 1. Einhaltung des 9. geringer 12. Preis möglich Stützen 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1. Einhaltung des Medizinprodukt- aesetzes 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2. Gleichgewicht mit Stützen 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 3. hohe Stützfunktion 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 4. keine negativen Auswirkungen auf den Körner 0 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 5. kleine Stufen <10 cm 6. geringes Gewicht 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 0 7. ansprechendes Design (Form und Funktion) 8. Treppensteigen 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 9. geringer Trainingsaufwand 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 10. einfaches Anlegen möglich 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 11. geringer zeitlicher Wartungsaufwand 12. Preis 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 13. Sitzmöglichkeit 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 Summe Zeilen quot;1quot; 12 11 10 9 7 6 5 2 3 6 2 0 7 Summe Spalten quot;0quot; 12 11 10 9 7 4 4 2 3 5 2 0 7 12 11 10 9 7 5 4,5 2 3 5,5 2 0 7 Mittelwert Zeilen & Spalten Korrektursummand 0 0 0 0 1 0 1.5 0 1 0 1 1 1 Bewertungsfaktor 12 11 10 9 8 5 6 2 4 5,5 3 1 8 Tabelle 5.4.: Gewichtung der Bewertungskriterien Jörg Hahn & Jens Schlesener 64
    • __________________________________________________________________ Ideenfindung 5.6 Vergleichssystematik Jede Lösung wird nun an Hand der Bewertungskriterien beurteilt (Tabelle 5.6). Dabei erhält jede Lösung für jedes Kriterium eine Punktzahl, die sich danach richtet, inwieweit die Lösung das jeweilige Kriterium erfüllt. Das heißt, man fragt z.B. „Besitzt die Lösung 1 eine hohe Stützfunktion?quot; Durch die vorhandene Instabilität und der daraus resultierenden geringen Stützfunktion wird hier die Lösung 1 nur mit drei Punkten bewertet. Die Punkte sind in drei Gruppen gestaffelt. Eins bis drei Punkte bedeutet schlecht, vier bis sechs bedeutet mittel und sieben bis neun Punkten gut bzw. sehr gut. Sind alle Lösungen nach den Kriterien bepunktet, multipliziert man die vergebenen Punkte mit dem jeweiligen Bewertungsfaktor des Kriteriums. Addiert man nun die so errechneten Zahlen, erhält man die endgültige Punktzahl der Lösung. Und wie das meistens so ist, gewinnt die Lösung mit der höchsten Punktzahl. Aus der Bewertung geht die Lösung 4 als die beste hervor, da sie in einem hohen Maße die Grundforderungen an die Orthese gut bzw. sehr gut erfüllt. Bwertungsnoten 1-3 4-6 7-9 Noten schlecht mittel sehr gut Bedeutung Tabelle 5.5: Maßstab für die Vergleichssystematik Jörg Hahn & Jens Schlesener 65
    • Ideenfindung motorischen Antrieben auf den Gelenkachsen elektromotorischen CFK-Schienen mit Hebelarmkombina Hydraulikantrieb Seilzuggesteuerte Seilzuggesteuerte hydraulischen Anatomische Orthese mit Orthese mit Gestänge- Lösung 1: Antrieben Antrieben Lösung 2: Lösung 3: Lösung 4: tion mit elektro- Bewertungsfaktor Bewertungs- Bewertungs- Bewertungs- Bewertungs- Bewertung Bewertung Bewertung Bewertung produkt produkt produkt produkt 12 8 96 7 84 7 84 8 96 1. Einhaltung des Medizinprodukt- gesetzes 11 5 55 6 66 7 77 8 88 2. Gleichgewicht mit Stützen 10 3 30 5 50 7 70 8 80 3. hohe Stütz funktion 9 4 36 4 36 6 54 6 54 4. keine negativen Auswirkungen auf den Körper 5. kleine Stufen < 10 8 6 48 6 48 6 48 8 64 cm 6. geringes Gewicht 5 7 35 5 25 3 15 6 30 6 4 24 3 18 6 36 8 48 7. ansprechendes Design (Form und Funktion) 8. Treppensteigen 2 5 10 5 10 5 10 7 14 4 5 20 4 16 6 24 7 28 9. geringer Trainingsaufwand 5,5 5 27.5 5 27.5 4 22 4 22 10. einfaches Anlegen möglich 3 4 12 7 21 5 15 6 18 11. geringer zeitlicher Wartun gsaufwand 12. Preis 1 6 6 8 8 7 7 5 5 13. Sitzmöglichkeit 8 7 56 7 56 7 56 8 64 Summe 455,5 465,5 518 611 Tabelle 5.6: Vergleichssystematik Jörg Hahn & Jens Schlesener 66
    • Ideenfindung 5.7 Auswertung der Vergleichssystematik In den vorangegangenen Kapiteln wurde die Problematik bei der Konzeption der Gehorthese und ein systematischer Weg, für diese Problematik Lösungen zu finden, beschrieben. Als Ergebnis der Lösungsfindung hat sich die Lösung 4 (Seilzuggesteuerte Orthese mit hydraulischen Antrieben) als deutlich beste Lösung herausgestellt. Die Lösung 4 kann die Bewertungskriterien mit der höchsten Priorität am besten erfüllen, was sich in einer dementsprechend hohen Bewertung äußert. Zur Konstruktion gibt es Bewertungskriterien, die unbedingt eingehalten werden müssen. Sie haben die höchsten Bewertungsfaktoren in der Diskussion mit Betroffenen erhalten. Diese Kriterien sind: • Einhaltung des Medizinproduktgesetzes • Gleichgewicht mit Stützen • Hohe Stützfunktion • Keine negativen Auswirkungen auf den Körper • Kleine Stufen bis 10 cm überwinden • Sitzmöglichkeit Wird nur eins dieser Kriterien bei der Konstruktion nicht eingehalten, wird die Orthese vom Markt nicht akzeptiert. Nach diesen „Muß-Kriterienquot; folgen in der Bewertungsrangfolge die Kriterien, die den Komfort und die Akzeptanz in der Öffentlichkeit der Orthese heben. Auch unter diesen Kriterien entstand im Gespräch mit Betroffenen eine sinnvolle Abstufung der Bewertungsfaktoren. Herauszustellen ist hierbei der Punkt: Ansprechendes Design (Form und Funktion). Dieses Kriterium stellt den Übergang zu den „Muß-Kriterienquot; her. In diesem Punkt ist auch die Anlehnung an die menschliche Anatomie enthalten, weil eine Konstruktion ohne Berücksichtigung dieses Punktes nicht zum Ziel führen kann. Im Kapitel „Stand der Lechnikquot; werden die zur Zeit erhältlichen reziproken Gehorthesen vorgestellt. Bei allen diesen Orthesen ist das Kniegelenk beim Gehen verriegelt, dies führt Jörg Hahn & Jens Schlesener 67
    • Ideenfmdung zu einem sehr unnatürlichen Gangbild. Hier wurde die Anatomie des Kniegelenkes übergangen, um Stabilitätsprobleme zu lösen. Dies ist mit ein Grund dafür, warum diese Orthesen von Querschnittgelähmten kaum akzeptiert werden. Alle die hier vorgestellten Lösungen sind Neukonstruktionen und somit nicht vergleichbar mit den momentan auf dem Markt erhältlichen Orthesen. Was alle Lösungen hauptsächlich von den bereits existierenden Orthesen unterscheidet, ist der mechanische Antrieb. Als Antrieb werden zwei Konzepte verwendet, die grundsätzlich bei jeder der hier vorgestellten Lösungen denkbar wären. Dies sind hydraulische Linearmotoren oder Elektromotoren mit Getrieben. Betrachtet man die Lösungen 2, 1, 3 in dieser Reihenfolge, wird ersichtlich, daß zusätzlich versucht wird, sich schrittweise von dem Schema der absoluten Steifheit einer Orthese zu entfernen. Vielmehr wird immer mehr die Stützfunktion des Skeletts in die Orthese mit eingebunden. Somit besteht die Möglichkeit einer größeren Flexibilität im Gangbild und einer äußeren Form, die der menschlichen Anatomie entspricht. Dies wird zu einer größeren Akzeptanz bei den Querschnittgelähmten führen. In Tabelle 5.6 hat die Lösung 4: „Seilzuggesteuerte Orthese mit elektromotorischen Antriebenquot; mit einem Summanden der Bewertungsprodukte von 611 die meisten Punkte in der Vergleichssystematik bekommen. Die Lösung 3: „Seilzuggesteuerte Orthese mit elektromotorischen Antriebenquot; hat mit 518 Punkten einen deutlich geringeren Summanden. Dahinter liegen die Lösungen 2: „Anatomische CFK-Schienen mit elektromotorischen Antriebenquot; und 1: „Gestänge Hebelarmkombination mit Hydraulikantriebquot; mit 465,5 bzw. 455,5 Punkten. Der große Abstand der Lösung 4 gegenüber den anderen entsteht hauptsächlich durch die hohe Bewertung in den „Muß-Kriterienquot;. Beispielhaft ist hier die hohe Stützfunktion, die ausschließlich über Zugkräfte erreicht wird. So werden keine Gelenke, die durch kritische Belastungen verschleißen können, verwendet. Des weiteren wird die Problematik eines Verbiegens von Stützschienen gänzlich ausgeschaltet. Diese Problematik müßte bei der Konstruktion der Lösungen 1 und 2 in besonderem Maße berücksichtigt werden. Durch die Verwendung eines hydraulischen Antriebes im Zusammenspiel mit der hohen Stützfunktion können sehr große Kräfte gezielt übertragen werden. Störende Nebeneffekte durch Instabilität oder nicht genau reproduzierbare Krafteinleitungsrichtungen werden Jörg Hahn & Jens Schlesener 68
    • Ideenfindung durch dieses System weitestgehend ausgeschlossen. Im Gespräch mit Ärzten, Orthopädietechnikern und Krankengymnasten der Orthopädischen Universitätsklinik in Heidelberg wurde die Notwendigkeit einer absoluten Steifigkeit immer wieder betont. Ferner können nur bei weitestgehendem Ausschluß von Instabilitäten die Kräfte mit zugehörigen Geschwindigkeiten zu einem natürlichen Gangbild optimal aufeinander abgestimmt werden. So sind kleine Stufen (< 10 cm) keine unüberwindbaren Hindernisse. Darüber hinaus besteht sogar die Möglichkeit zum Treppensteigen. Auf die notwendigen Längenänderungen und Winkeländerungen wird im folgenden Kapitel eingegangen. In der intensiven Zusammenarbeit mit der krankengymnastischen Abteilung der Rehabilitationsklinik Burg Landshut in Bernkastei (RPL) wurde immer wieder die hohe Flexibilität in den Handhabungsmöglichkeiten der Lösung 4 gegenüber den Lösungen 1 und 2 gelobt. Hier ist eine Anpassung an die individuellen Bedürfnisse des einzelnen Patienten unbedingt notwendig, um in der Rehabilitation Querschnittgelähmter größtmögliche Erfolge erzielen zu können. Mit den Lösungskonzepten 1 und 2 ist es schwieriger, die unterschiedlichen Gegebenheiten zum Beispiel bei inkompletten Lähmungen zu berücksichtigen. Darüber hinaus ist es für den Betroffenen einfacher, das Gleichgewicht mit Unterarmgehstützen zu halten, je mehr die Orthese dabei unterstützend wirkt und nicht ein Gerät darstellt, dessen Bedienung mit viel Geschick verbunden ist und erst lange Zeit erlernt werden muß. Aus diesen Gründen wird die Lösung 4 auch in den Kriterien „Gleichgewicht mit Stützenquot; und „Geringer Trainigsaufwandquot; höher als die anderen Lösungen bewertet. Querschnittgelähmte waren von den geringen Baugrößen der hydraulischen Lösungskonzepte begeistert. Hierbei ist das Erscheinungsbild mit der Orthese in der Öffentlichkeit ausschlaggebend. Für Betroffene ist ein positives Auftreten gegenüber Dritten wichtig, um nicht direkt durch ein ungewohntes Erscheinungsbild ausgegrenzt zu werden. Zum einen ist dabei die Persönlichkeit des Betroffenen in besonderem Maße gefragt aber natürlich auch das rein äußere Erscheinungsbild. Diese Anforderungen erfüllt die Lösung 4 durch die ausgeprägte Anlehnung an die menschliche Anatomie. Es ergibt sich ein Design das in Form und Funktion den anderen Lösungen überlegen ist. Ferner werden durch den Nachbau der Physiologie des Menschen die negativen Auswirkungen auf Jörg Hahn & Jens Schlesener 69
    • Ideenfindung den Körper auf ein Minimum reduziert. Druck und Scheuerstellen werden weitestgehend vermieden. Wie dies über die dargestellte großflächige Anbindung bei der Lösung 4 möglich ist, wird im folgenden Kapitel 6.3 genau beschrieben. Die positiven und negativen Eigenschaften des Skeletts und speziell der Gelenke werden in dem Konzept verarbeitet. Durch die Verwendung biegsamer Bowdenzüge und Hydraulikleitungen ist auch das Hinsetzen mit der Orthese sehr einfach möglich im Vergleich zu einer aus Schienen aufgebauten Orthese. Hieraus folgt die hohe Bewertung des Konzeptes 4 in den Punkten „Ansprechendes Design (Form und Funktion)quot;, „Keine negativen Auswirkungen auf den Körperquot; und „Sitzmöglichkeitquot;. Die Orthesen der Lösungen 2 und 3 werden elektrisch angetrieben. Die Bereitstellung elektrischer Energie ist immer mit hohem Gewicht verbunden. Darüber hinaus ist auch das Leistungsgewicht bei der Umwandlung elektrischer in mechanische Energie sehr hoch. Für die Weiterleitung der mechanischen Energie müssen Getriebe vorgesehen werden. Diese Nachteile sind bei den hydraulisch angetriebenen Lösungen nicht vorhanden. Daher die hohe Bewertung der Lösungen 1 und 4 im Bewertungskriterium „Geringes Gewichtquot; Das Konzept 1 ist aber trotz der Verwendung eines hydraulischen Antriebes mit mechanisch hoch beanspruchten Gelenken versehen. Diese Gelenke müssen regelmäßig gewartet werden, um die Sicherheit der Orthese gewährleisten zu können. Wartungen an einem rein hydraulischen System ohne Verwendung von weiteren Getrieben zur Kraftübertragung wie bei Lösung 4 können in wesentlich größeren Zeitabständen durchgeführt werden. Das Konzept der Lösung 2 besteht nur aus sehr wenigen Komponenten, speziell wenn die großen flachen Motoren mit den Antriebsachsen direkt auf den Gelenkachsen verwendet werden. Diese einfache Bauweise kommt voraussichtlich mit dem geringsten Wartungsaufwand aus. Daher die Bewertung der Lösungen in Hinblick auf die Wartung in der Reihenfolge 1-3-4-2. Durch die Vergleichssystematik wird deutlich, daß eine hydraulisch angetriebene Orthese die meisten Bewertungskriterien sehr gut erfüllen kann. Der Vergleich von Lösung 1 und Lösung 4 zeigt aber auch, daß dies nicht zwingend der Fall ist. Lösung 1 erfüllt trotz der Verwendung eines hydraulischen Antriebes viele Kriterien nur mittelmäßig. Zur guten Jörg Hahn & Jens Schlesener 70
    • Ideenfindung Lösung der Problematik sind die Eigenschaften der Hydraulik geschickt zu nutzen und darüber hinaus müssen die übrigen Bewertungskriterien mit Lösungen erfüllt werden, die sich durch ihre technische Einfachheit im Gebrauch der Orthese auszeichnen. So hat das Konzept 1 die geringste Gesamtpunktzahl und das Konzept 4 die höchste Gesamtpunktzahl am Ende der Bewertungssystematik erzielt. Jörg Hahn & Jens Schlesener 71
    • ___________________________________________________________ Detaillösungen 6. Detaillösungen Dieses Kapitel soll als Schnittstelle für nachfolgende Arbeiten dienen. In ihm werden für einige Details mögliche Lösungen genauer aufgezeigt und beschrieben. So wird z.B. ein als Primärantrieb und zur Energieübertragung geeignetes Hydrauliksystem mit allen Einzelkomponenten vorgestellt. Es folgt eine Konstruktion zur Aufnahme der hydraulischen Linearmotoren und eine Beschreibung der Bandagen, aus denen die Orthese aufgebaut ist. 6.1 Das Hydrauliksystem Zur Verteilung und Wandlung der Energie an den vorgesehenen Elementen bietet sich ein Hydrauliksystem in idealer Weise an. Das in der Orthese zu verwendende System fällt in den Bereich der Mikrohydraulik, wodurch die hohen Systemanforderungen bestens erfüllt werden. Die Systemanforderungen sind im folgenden dargestellt: • Leiser Betrieb (< 55 dBA) • Flexibilität in der Primärenergieversorgung • Geringe Stromaufnahme bei Akkubetrieb (< 10 A, bei 24 V Gleichstromver- sorgung) • Sanfte Einleitung und sanftes Abbremsen von Bewegungen • Exakte Positionierung durch hermetische Dichtheit des Hydrauliksystems, das heißt keine interne oder externe Leckage • Kleinste raumsparende Bauweise • Übertragung von großen Kräften problemlos möglich • Abruf programmierter Bewegungsabläufe möglich • Hohe Betriebssicherheit durch vergleichsweise einfachen Aufbau • Zur Synchronisation von mehreren Bewegungen zueinander bestens geeignet • Kostenvorteile durch Baukastensystem • Individuelle Anpassung an das Krankheitsbild des jeweiligen Patienten durch das Baukastensystem einfach möglich Jörg Hahn & Jens Schlesener 72
    • Detaillösungen Bild 6.1: Prinzipschaltplan der Hydraulikeinheiten Als Vorschlag eine Reversiersteuerung mit elektronisch geregelter Rampen- und Geschwindigkeitssteuerung In Bild 6.1 ist ein Prinzipschaltplan der Hydraulikeinheiten dargestellt. Um ein natürliches Gangbild zu erreichen und dem Benutzer Bedienungskomfort zu bieten, wird die im Bild vorgeschlagene einfache Reversiersteuerung gegen eine kompliziertere Regelung ausgetauscht werden müssen. Die während der Arbeit entstandenen Ideen zur Steuerung oder Regelung werden im Anhang aufgeführt, um für die Entwicklung der Orthesensteuerung oder -regelung einen Ansatz zu bieten. Als Antriebseinheit ist im Bild eine klassische Einheit aus Elektromotor und Pumpe dargestellt, die die Hydraulikmotoren (1,2.. n) mit dem Druckmedium versorgen soll. Jedoch sollte die Energieversorgung aus Gewichtsgründen nicht elektrisch, sondern durch Druckenergie aus einem Tank erfolgen. Hierzu wird im Anhang ein speziell gewichtsoptimierter Drucktank vorgeschlagen. Jörg Hahn & Jens Schlesener 73
    • Detaillösungen Die Bewegungsart der Hydraulikkolben wird über Wegeventile und Verstellblenden beeinflußt. Filtereinheiten und ein Überdruckventil sorgen für hohe Betriebssicherheit. Mit dem Ventil „y„ wird die Bewegungsrichtung der Hydraulikkolben beeinflußt. Soll ein Kolben seine Bewegungsrichtung ändern, während ein anderer seine Bewegungsrichtung beibehält, muß ein getrennter Versorgungszweig parallel zum Ventil „y„ vorgesehen werden. Der einfach wirkende Hydraulikzylinder 1 bietet sich zum Heben und Halten des Beckens an (in Bild 5.4 als Beckenheber bezeichnet). Wird das Ventil „yl2„ geöffnet, wird der Kolben 1 bewegt und das Becken kann über diese Bewegung angehoben werden. Die entgegengesetzte Bewegung wird durch das Körpergewicht beim Abstützen mit der Unterarmgehstütze ohne hydraulische Kraft ausgeführt. Hierzu wird Ventil „yl2„ wieder verriegelt und Ventil „yl 1„ geöffnet. Die Hydraulikmotoren 2 - n leiten die Bewegung der Beine ein. Hierzu bieten sich zweifach wirkende Zylinder an, um die natürlichen Bewegungsabläufe zu imitieren. Beim Beugen des Knies zum Beispiel sind nicht nur die Oberschenkelbeuger (Muskeln auf der Ober schenkelrückseite) aktiv, sondern auch die Oberschenkel Strecker (Muskeln auf der Oberschenkelvorderseite). Nur durch das Zusammenspiel der Muskelgruppen von Beugern und Streckern kommt eine gut koordinierte Bewegung zustande. Wird das Ventil „y22„ geöffnet, fährt der Kolben 2 ein, und das entsprechende Gelenk kann gebeugt werden. Mit der Blende erfolgt eine Geschwindigkeitsregulierung. Zum Strecken wird das Ventil „y22„ wieder geschlossen und das Ventil „y21„ geöffnet. Über die Blende ist der Kolben hydraulisch eingespannt, so daß eine koordinierte Bewegung möglich ist. Inwiefern einfach oder zweifach wirkende Zylinder für die einzelnen Bewegungen vorgesehen werden müssen, hängt vom Krankheitsbild des Betroffenen ab. Zur Rehabilitation sollte niemals eine noch erhaltene Körperfunktion durch die Hydraulik ersetzt werden, damit diese Funktion durch Entlastung nicht geschwächt wird. Jörg Hahn & Jens Schlesener 74
    • ___________________________________________________________ Detaillösungen Die Firma Knapp Micro Fluid® bietet Hydraulikkomponenten mit folgenden Eigenschaften an: Daraus ergeben sich rechnerisch folgende Grenzwerte: • Berechnung der übertragbaren Kräfte: Das heißt mit dem für die Orthese größten Hydraulikmotor der Firma Knapp Micro Fluid® läßt sich eine Kraft von 25 kN aufbringen, was einer Gewichtskraft, die aus 2,5t Masse resultiert, entspricht. Mit dem kleinsten sich anbietenden Zylinder der Firma Knapp Micro Fluid® läßt sich eine maximale Kraft von aufbringen. Bei Verwendung des im Anhang B beschriebenen Drucktankes zur Energie- versorgung ergeben sich bei einem Betriebsdruck von 150 bar folgende maximale Kräfte: • Berechnung der minimal und maximal erreichbaren Kolbengeschwindigkeiten: Jörg Hahn & Jens Schlesener 75
    • Detaillösungen 6.1.1 Experimentelle Ermittlung der notwendigen Längenänderungen Kniegelenk Bandage mit Klettverschluß Bandmaß mit Längenmarkierung für Kniegelenkbeugung von 90° Längenmarkierung bei 45° Beuge- winkel Ausgangsmarkierung bei gestreck- tem Bein Einheit zur Beugewinkelbegrenzung Bild 6.2: Versuchsaufbau zur Ermittlung der Längenänderungen am Knie bei verschiedenen Beugewinkeln Bild 6.2 zeigt den Versuchsaufbau für die Längenmessungen am Knie. Die hier verwendete Orthese bietet sich in idealer Weise an, weil sie einstellbar nur bestimmte Beugewinkel zuläßt. So konnten an der Orthese exakt 45° und 90° Beugewinkel eingestellt werden und die dabei auftretenden Längenänderungen zwischen 0° und 45° bzw. 90° mit einem Maßband abgegriffen werden. Die Längenänderungen wurden bei zwei Versuchspersonen gemessen und anschließend gemittelt. Die Messung erfolgte bei verschiedenen Bowdenzugführungen, wobei die maximalen Werte ausschlaggebend für die Jörg Halm & Jens Schlesener 76
    • Detaillösungen Dimensionierung der Hublängen der Hydraulikmotoren sind. Die Messungen der Oberschenkelbeugung erfolgte über an Bandagen befestigten Bowdenzügen, die durch provisorische Führungen den vorgesehenen Verläufen folgten. Ebenso wurde die notwendige Bewegungsfreiheit des Beckens aufgenommen. Die Firma Knapp Micro Fluid® bietet Kleinsthydraulikmotoren mit den in Tabelle 6.1 angegebenen Hüben an. Längenäderung in mm bei 45° 90° Unterschenkel Vorderseite 60 75 Rückseite 110 155 Oberschenkel Vorderseite 70 105 Rückseite 70 110 senkrechtem Anheben Becken 60 Tabelle 6.1: Maximale Längenänderungen im Becken bzw. bei Beugewinkeln von 45° und 90° von Ober- und Unterschenkel 6.2 Aufnahme der Hydraulikzylinder Die Aufnahme der Hydraulikzylinder ist in Bild 6.3 dargestellt. Sie besteht aus einer PP oder PE Schale und einem Träger aus sehr dichtem Moosgummi oder Hartschaum. Der Zylinder wird von oben in diese Schale bis zum Anschlag gesteckt und um 120° nach links oder rechts, je nach Ausführung, verdreht, so daß die Hydraulikleitungen in der im Träger dafür vorgesehenen Nut verlaufen. Anschließend wird die Aufnahme mit einem Klettverschluß verschlossen, so daß ein nachträgliches Verdrehen des Zylinders verhindert wird. Die Befestigung der Aufnahme an der Hüftbandage erfolgt mit dem an der Rückseite des Trägers befindlichen Klettverschlusses (Haken). Diese Art der Befestigung ermöglicht Jörg Hahn & Jens Schlesener 77
    • Detaillösungen eine individuelle Plazierung und somit Anpassung des Antriebssystems an die jeweilige Person. Die gesamte Rückseite als Klettverschluß (Haken) PP oder PE Schale, dient zur Aufnahme des Zylinders Klettverschluß (Flausch), hier wird der Klettverschluß zum Verschließen der Aufnahme befestigt Träger der Aufnahme aus sehr dichtem Moosgummi oder Hartschaum Nut im Träger zur Aufnahme der Hydraulikleitungen Anschlag für den Hydraulikzylinder Schmale Reihe Haken zum Verschließen der Aufnahme Bild 6.3: Aufnahme für einen Hydraulikzylinder Die Aufnahme ist in zwei Ausführungen denkbar. Entweder verlaufen die Hydraulikleitungen links oder rechts von der Schale. Dies ist nötig, um eine Befestigung zweier Zylinder direkt nebeneinander zu ermöglichen. 6.3 Anbindung der Bowdenzüge 3Zur Übertragung der Kräfte bieten sich Bowdenzüge aus Stahl an. Die alternative Verwendung von Bowdenzügen aus Kunststoffen wurde überprüft. Kunststoffzüge oder auch Kunststoffseile mit Durchmessern bis 2 mm haben im Vergleich zu hochwertigen nicht rostenden Stahlzügen bezüglich der Längendehnung und der Festigkeit wesentlich Jörg Hahn & Jens Schlesener 78
    • Detaillösungen schlechtere Kennwerte und Belastungsgrenzen. Bei den kraftübertragenden Teilen muß die Längenausdehnung so gering wie möglich gehalten werden, denn sie spielt für die Steifigkeit der Orthese eine entscheidende Rolle. Aus den nur sehr geringen Volumina, die die Bowdenzüge einnehmen, ergeben sich durch die Verwendung von Kunststoffzügen nur geringe Gewichtsvorteile, die die genannten Nachteile nicht aufwiegen. Bowdenzüge mit den passenden Verbindungsnippeln stellt die Firma GEMO, D. G. Moritz GmbH & Co. KG in Berlin her. Bowdenzug: 0 2mm Gewindestück: Zum Einschrauben in die Gewindebuchse Gewindebuchse: Innengewinde als Verbindungsteil mit Gewindestück; drehbar gelagert zum Aufschrauben auf Gewindestück Kugelaufnahme: Verbindet Auffächerung mit der Gewinde- buchse Auffächerung: Breite Anbindung an den Klettverschluß zur Kraftverteilung, aus einzelnen Zügen oder Bandagengewebe Klettverschluß: Überträgt die Kräfte der Hydraulikmotoren zur Bandage, ist Stufenlos variabel in der Positionierung, großflächig ausgelegt Bild 6.4: Verbindung der Bowdenzüge mit den Bandagen über Kraftverteilung an die variablen Klettverschlüsse Jörg Hahn & Jens Schlesener 79
    • Detaillösungen In Bild 6.4 ist die Verbindung der Bowdenzüge mit den Bandagen dargestellt. An die Enden des Bowdenzuges ist jeweils ein Gewindestift aufgepreßt. Als Aufnahme für den Gewindestift dient die Gewindebuchse. Sie ist drehbar an der Kugelaufnahme gelagert, so daß sich der Gewindestift ohne Verdrehen des Bowdenzuges in die Gewindebuchse einschrauben läßt. In die Kugelaufnahme ist das Ende der Auffächerung, die zur Kraftverteilung dient, eingepreßt. Die Kraft aus den Hydraulikmotoren sollte möglichst großflächig in die Bandage eingeleitet werden, um zum einen die Orthese vor punktuellen Überbelastungen zu bewahren und zum anderen, um Scheuerstellen durch ein Verrutschen der Bandagen an punktuellen Krafteinleitungspunkten zu verhindern. Die Auffächerung kann aus mehreren Zügen oder auch aus dem Bandagenwerkstoff gefertigt werden. Der Klettverschluß stellt die Verbindung zur Bandage her. Er wird mit der Auffächerung vernäht. Zur Einleitung der Kräfte in die Bandagen bieten sich Klettverschlüsse an. Die Klettverschlüsse haben die gleichen Eigenschaften wie die Bandagen, daß heißt sie sind in horizontaler Richtung elastisch und in vertikaler Richtung steif. So wird das Prinzip der absoluten Steifigkeit in der Längsachse aufrechterhalten. Ferner lassen sich die Klettverschlüsse stufenlos an der Bandage positionieren, und es läßt sich eine optimale Anpassung an die Individualitäten der Patienten erreichen. Auf die Grenzwerte der übertragbaren Kräfte über die Klettverschlüsse wird im Punkt 6.5.1 „Individuelle Bandagenanpassung durch Klettverschlüsse,, eingegangen. 6.3.1 Plazierungen der Anbindungen Schrittrichtung Anbindungsbereich für vorderen außenliegenden Anbindungsbereich für Zylinder vorderen innenliegenden Zylinder Anbindungsbereich für Anbindungsbereich für hinteren außenliegenden hinteren innenliegenden Zylinder Zylinder Bild 6.5: Draufsicht aufrechten Oberschenkel Jörg Hahn & Jens Schlesener 80
    • Detail lösungen Beim Ermitteln der nötigen Hubwege der Hydraulikmotoren wurden auch für die Krafteinleitung günstige Plazierungen der Anbindungen gefunden. Dargestellt sind diese Bereiche in Bild 6.5. Die optimalen Anbindungsbereiche können jedoch erst bei Versuchen an einem Modell lokalisiert werden. Generell kann man aber davon ausgehen, daß sich diese kreuzweise Anordnung auch auf die Unterschenkel übertragen läßt. 6.4 Führung der Bowdenzüge Zum Erhalt der Hubwege und zur optimalen Übertragung der Zugkräfte der Hydraulikzylinder müssen die Seilzüge unbedingt geführt werden. Dies kann durch auf die Bandagen aufgenähte oder mit Klettverschlüssen befestigte TextilSchlaufen realisiert werden. Beim Anlegen der Orthese werden die Züge einfach durch diese Schlaufen gefädelt und am jeweiligen Kolben befestigt. Die Befestigung der Züge erfolgt wie bei der Anbindung an die Bandagen durch einen Schraubverschluß. 6.5 Bandagen Wie schon in Kapitel 5 erwähnt, müssen die Bandagen eine Reihe von Eigenschaften erfüllen. So sollte das Material hautfreundlich und atmungsaktiv sein, um einen hohen Tragekomfort zu gewährleisten. Weiterhin müssen die Bandagen entsprechend großflächig gestaltet werden, um die Lastverteilung auf die Weichzonen zu realisieren, was zur Vermeidung von Druckstellen besonders wichtig ist. Ferner müssen sie anisotrope Eigenschaften vorweisen, um in horizontaler Richtung die zwecks Anformung notwendige Elastizität und in vertikaler Richtung die notwendige Steifigkeit zu ermöglichen. Dies läßt sich durch die Webart der Bandage realisieren. Natürlich müssen die zum Verschließen der Bandagen verwendeten Klettverschlüsse, die auf die Bandagen genäht werden, die gleichen Eigenschaften besitzen. 6.5.1 Individuelle Bandagenanpassung durch Klettverschlüsse Jörg Hahn & Jens Schlesener 81
    • Detaillösungen Zum bequemen Anlegen der Orthese im Sitzen oder Liegen müssen die einzelnen Bandagen mit einem Verschluß versehen werden. Der Verschluß hat auch gleichzeitig die Aufgabe, die Bandagen paßgenau zu positionieren und bei Belastung an ihren Positionen zu halten. Dafür sind Klettverschlüsse als Schnellbefestiger bestens geeignet. In Bild 6.6 ist eine einfache Ausführung eines Schnellverschlusses als Muster der Firma G. Binder GmbH & Co. in Holzgerlingen dargestellt. Ein Klettverschluß besteht immer aus einer weichen Seite, dem „Flausch,,, der aus vielen kleinen Gewebeschlingen aufgebaut ist und dem „Haft,,, der als Gegenstück zum Flausch aus vielen kleinen Haken besteht, die sich in die Schlingen des Flausches beim Zusammenpressen einhaken. Haft Flausch Bild 6.6: Klettschnellverschluß 20 mm breit in geschlossenem Zustand Die Schnellverschlüsse sind an der einen Seite mit einer Öse versehen, und an der anderen Seite ist an den Flausch als Abschluß ein Stück vom Haft angeschweißt. Mit dem Flausch und der angeschweißten Hakenseite nach Außen gewendet, wird der Haft durch die Öse gezogen und auf den Flausch gepreßt. Dieser Verschluß ist in der Länge stufenlos variabel und kann individuell fest angezogen werden. Wird eine Bandage mit mehreren parallel
    • angeordneten Verschlüssen versehen, wird sogar eine Veränderung des Umfangs des Beines oder der Hüfte innerhalb der Breite einer Bandage berücksichtigt. Diese Beschaffenheit wirkt sich sehr günstig aus, wenn es darum geht, das Verrutschen der Bandagen zu verhindern. Das Gewebe der Verschlüsse hat dieselben elastischen Jörg Hahn & Jens Schlesener 82
    • Detaillösungen Eigenschaften wie die Bandagen. Es ist in horizontaler Richtung elastisch und in vertikaler Richtung steif. Die Verschlüsse sind in verschiedenen - bei den technischen Daten aufgeführten - Breiten erhältlich. Technische Daten (nach G. Binder GmbH & Co. KG): Polyamid Werkstoff: Breiten: 10, 16, 20, 25, 30, 38, 50, 100, 210 mm Gewicht in g/m: Breite in mm 10 16 20 25 30 38 50 100 Haft 2,9 4,9 6,5 7,9 9,8 12,4 16,6 33,3 Flausch 3,0 4,9 6,5 7,9 9,5 13,0 17,0 36,3 Verschluß- Schälfestigkeit: Scherfestigkeit: festigkeiten: 10 N/cm2 nach lx Durchschnitt 2,3 N/cm Bandbreite 6 N/cm2 Öffnen Mindestwerte 1,3 N/cm Bandbreite 0,65 N/cm Bandbreite 3 N/cm2 nach 10000 x Durchschnitt 0,65 N/cm Bandbreite 3 N/cm2 Öffnen Mindestwerte Aus der Tabelle über die Verschlußfestigkeiten geht hervor, daß diese nach 10000 Schließungen und Öffnungen mindestens noch 50 % der Mindest-Anfangs- Verschlußfestigkeiten betragen sollen. Über Rundungen nimmt die Scherfestigkeit um das 2-3 fache zu. Dieser Effekt müßte, zusammen mit einer großflächigen Auslegung, für die Anbindung der Bowdenzüge genutzt werden. Jörg Hahn & Jens Schlesener 83
    • Detaillösungen Jörg Hahn & Jens Schlesener 84
    • __________ Ausblick 7. Ausblick Hier endet unsere Arbeit, aber wir hoffen, daß unsere Diplomarbeit als Grundstein weiterer Arbeiten dient. Denn jetzt gilt es, dieses Projekt auch zu verwirklichen, und dazu wären noch Diplomarbeiten mit folgenden Themen möglich. • Ausarbeitung des Antriebes und der Primärenergieversorgung • Der Bau und Test eines Teilmodells • Programmierung der Antriebssteuerung • Der Bau und Test des Prototypen Es ist sinnvoll, die drei ersten Arbeiten parallel laufen zu lassen. Denn so ist die notwendige Abstimmung untereinander am besten gewährleistet. Die zur Programmierung der Steuerung benötigte Ganganalyse kann im Ganglabor der Orthopädischen Universitätsklinik in Heidelberg erstellt werden. Hierbei und bei den Tests des Modells und des späteren Prototypen hat der dortige Oberarzt der Abteilung Orthopädie II, Dr. Bremer, der auch uns viel geholfen hat, seine volle Unterstützung zugesichert. Insgesamt haben alle Beteiligten wie Betroffene, Krankengymnasten, Orthopädietechniker, Ärzte und Firmen ihre weitere Hilfe zugesagt. Eine Auflistung aller Beteiligten und die Möglichkeit sie zu kontaktieren befindet sich im Anhang. Wir wünschen den Diplomanden, die diese Arbeit weiter verfolgen, viel Spaß und Erfolg. Wir hoffen, durch unsere Diplomarbeit bei manchen Studenten das Interesse an der Medizintechnik mit ihrem enormen Handlungsbedarf geweckt zu haben. Denn wir sind der Ansicht, daß gerade die Medizintechnik von den Maschinenbauern als Betätigungsfeld noch stark unterschätzt wird, obwohl das Angebot auf diesem Gebiet sehr breit gefächert ist. Und noch eine Meldung aus der Forschung. Die Frankfurter Allgemeine Zeitung schrieb am 07.08.1996 unter der Überschrift „Querschnittslähmung operativ zu beheben?,, folgendes: Jörg Hahn & Jens Schlesener 85
    • Ausblick „Bei Ratten läßt sich durchtrenntes Rückenmark teilweise durch die Transplantation feiner Nervenfasern wieder miteinander verknüpfen. Allerdings seien die Ergebnisse dieser Experimente, wie die Wissenschaftler des Karolinzka-Instituts in Stockholm in der Zeitschrift Science (Bd.273, S.510) berichten, noch recht dürftig. Die Tiere, denen durch einen chirurgischen Eingriff zunächst ein fünf Millimeter langes Stück aus dem Rückenmark entfernt wurde, konnten sich nach der Operation nur mühsam auf den Beinen halten und diese nicht koordiniert bewegen. Für die Transplantationen wurden 18 zwischen den Rippen verlaufenden Nervenfasern verwendet. Sie dienten gewissermaßen als Leitschiene für die Regeneration der Fasern des Rückenmarks. Zur Befestigung der Rückennerven diente ein biologischer Kleber, der Fibrin und andere Eiweißstoffe beinhaltet. Außerdem wurde ihm eine Substanz - ein saurer Fibroblasten-Wachstumsfaktor - beigemischt, die normalerweise im Rückenmark vorkommt. Sie soll auch das Wachstum des Rückenmarks fördern. Ein weiterer Kunstgriff lag darin, daß die Enden der auf- und absteigenden Stränge jeweils von der das Nervenwachstum unterdrückenden grauen Materie in die regenerationsfreudigere Materie implantiert wurden. Sechs Monate nach dem Eingriff war der Prozeß der Erneuerung beendet. Weitere Verbesserungen ließen sich nicht mehr beobachten. Diese Experimente berechtigen nach der Ansicht einer ganzen Reihe von Forschern zu der Annahme, daß eine Regeneration des Rückenmarks und eine damit verbundene Behandlung von Querschnittslähmungen möglich sein wird.,, Jörg Hahn & Jens Schlesener 86
    • Anhang Anhang A: Primärenergieversorgung über einen Druckspeicher Die Firma „Bolenz und Schäferquot; in Biedenkopf stellt einen Drucktank her, der sich in idealer Weise für die Primärenergieversorgung der Gehorthese anbietet. Der Drucktank ist ursprünglich für den Einsatz im Motorsport zur aktiven Fahrwerksabstimmung in Kurvenfahrten konstruiert. Für diese Zwecke mußte der Tank extrem klein und leicht sein und dazu große Energiemengen speichern können. Aufgebaut ist der Drucktank als Kolbenspeicher. Er kann zusätzlich zu seinem Flüssiggasspeicher noch mit Speicherpatronen, wie in Bild AI dargestellt, versehen werden. Durch die gewichtsoptimierte Dimensionierung und die Fertigung aus Titan wiegt der Tank je nach Baugröße nur zwischen ein und zwei Kilogramm. Drucktank ohne Drucktank mit Speicherpatrone Speicherpatrone Bild AI: Symboldarstellung des Druckspeichers zur Primärenergieversorgung Nach Herstellerangaben ist mit diesem Tank eine Energieversorgung über minimal 30 Minuten mit konstant einem kW Leistung möglich. Über die austauschbaren Patronen läßt sich die zur Verfügung stehende Energiemenge beliebig variieren. Eine Energierückgewinnung ist mit diesem Energiespeicher leicht zu realisieren. Die Firma „Bolenz und Schäferquot; hat uns umfangreiches Informationsmaterial mit Jörg Hahn & Jens Schlesener 86
    • ________________________________________________________________ Anhang Zeichnungen, Berechnungsabläufen, Abnahmevorschriften und Hinweisen zum Betrieb und zur Wartung überlassen, welches wir gerne an die Diplomanden mit dem Diplomarbeitsthema „Energieversorgung der Gehortese für Querschnittgelähmtequot; weitergeben. Anhang B: Vorschläge zur Gestaltung der Steuerung bzw. Regelung Die Steuerung oder Regelung ist neben den mechanischen Komponenten der zweite zentrale Teil der Orthese. Genauso wie bei der Mechanik hängt von der Güte der Regelung die Funktionalität und damit letztendlich die Akzeptanz der Orthese von Betroffenen ab. Hierzu sollten folgende Punkte beachtet werden: • Sicherheitsbedürfnis: Die Orthese darf keine Bewegungen ausführen, die vom Betroffenen nicht gewollt sind, damit die Orthese kein Instrument darstellt, in dessen vollständige Abhängigkeit der Benutzer sich gibt. Hierzu muß der Bewegungsablauf zu jedem Zeitpunkt einfach und gezielt beeinflußbar sein. Dies könnte zum Beispiel über einen in den Griff einer oder beider Unterarmgehstützen integrierten Joystick realisiert werden. • Passivität: Ein Ergebnis der Gespräche mit Querschnittgelähmten ist, daß der Betroffene aktiv an seiner Mobilität beteiligt sein will, vergleichbar mit der Anstrengung beim Gehen eines nicht gelähmten Menschen oder der Armarbeit beim Bewegen des Rollstuhles. • Individualität: Die Regelung muß individuell an die noch vorhandenen Körperfunktionen des Betroffenen anzupassen sein, damit diese Funktionen durch Entlastung nicht geschwächt, sondern gestärkt werden können. • Koordination: Mit der Orthese soll ein Gangbild erreicht werden, daß im Idealfall dem natürlichen Gang entspricht. Dies ist wahrscheinlich die schwierigste Aufgabe bei der Erarbeitung der Regelung. Ein gesunder Mensch könnte den Bewegungsablauf einer SPS vorgeben, indem er mit der Orthese Jörg Hahn & Jens Schlesener 87
    • Anhang geht. Die Orthese würde diesen Bewegungsablauf beim Gebrauch wiedergeben. In Verbindung mit einer Fuzzy-Logic wäre eine individuelle Anpassung an den Betroffenen möglich. Anhang C: Kontakte zu Betroffenen, Medizinern und Krankengymnasten Die Ergebnisse dieser Diplomarbeit wurden unter anderem in vielen Gesprächen mit Betroffenen, Medizinern und Krankengymnasten gewonnen. Die in dieser Form an der Diplomarbeit Beteiligten, die auch weiterhin für nachfolgende Arbeiten ihre Unterstützung zugesagt haben, sind im folgenden aufgeführt: • Firma MRD Patent GmbH & Co. KG, 54292 Trier, Tel.: 0651 /141646 Themenstellung und Finanzierung • Frank Schäfer, 54492 Zeltingen-Rachtig, Tel.: 06532/4819 oder 1355 Paraplegiker • Claudia Kübert und Gerd Kluth, Tel.: 06531 / 924-000 oder Durchwahl -784, 54470 Bernkastel-Kues, Krankengymnastin bzw. Leiter der Krankengymnastik in der Reha Gesellschaft für Rehabilitation mbH • Dr. Bremer, 69033 Heidelberg Tel.: 06221/95-5 Oberarzt in der Orthopädischen Universitätsklinik Heidelberg Jörg Hahn & Jens Schlesener 88
    • Anhang Anhang D: Firmen, zu denen im Verlauf der Arbeit hilfreiche Kontakte geknüpft wurden Die folgenden Firmen haben für diese Arbeit umfangreiches Informationsmaterial über Gehorthesen und deren Zubehör bzw. Literatur zur Verfügung gestellt: • Verlag Orthopädie - Technik, Bundesinnungsverband für das Orthopädiemechaniker- und Bandagistenhandwerk, Postfach 100651, 44006 Dortmund, Tel.: 0231 / 5570500, Ansprechpartnerin: Frau Sosna, Herausgeber der Zeitschrift „Orthopädie - Technikquot; • Pro Walk GmbH, Schlesierstr. 5, 63329 Egelsbach, Tel.: 06103 / 21086, Ansprechpartner: Herr Preisler, Hersteller der Orthese „Parawalkerquot;, zu deren Gebrauch es ein Video gibt • Otto Bock Orthopädische Industrie, Postfach 1260, 37105 Duderstadt, Tel.: 05527 / 848-0. Ansprechpartnerin: Frau Leineweber, Hersteller von speziellen Schienenelementen, zu deren Herstellung es ein Video gibt. Anhang E: Firmen, deren Produkte in der Diplomarbeit vorgeschlagen werden • Knapp Micro Fluid® GmbH & Co. KG, Borsigstr. 11, 93092 Barbing - Regensburg, Tel.: 09401 / 785-0, Hersteller von Kleinsthydraulik • Bolenz & Schäfer, Jörg Hahn & Jens Schlesener 89
    • Anhang Postfach 1261, 35202 Biedenkopf, Tel.: 06461 / 933-0. Ansprechpartner: Herr Fuchs, Hersteller des Drucktanks zur vorgeschlagenen Primärenergieversorgung • GEMO D. G. Moritz GmbH & Co. KG, Postfach 650529, 13305 Berlin, Tel.: 030 / 490040, Hersteller von Bowdenzügen und deren Verbindungselementen • Gottlieb Binder GmbH & Co, Textil- und Kunststofftechnik, Bahnhofstr. 19, 71088 Holzgerlingen, Tel.: 07031 / 6830 Hersteller von Klettverschlüssen • 3M - Medica, Postfach 1462, 46322 Borken (Westfalen), Tel.: 02861 / 803-0, Hersteller von Kunststoffschienen zur individuellen Anpassung an Patienten • ORMED GmbH, Medizintechnik Merzhauser Str. 112, 79100 Freiburg, Tel.: 0761 / 4584-02, Hersteller von Orthesenunterziehstrümpfen Anhang F: Quellenverzeichnis [1] Volkmar Paeslack und Gerd Tschochner Behandlung und Rehabilitation Querschnittgelähmter Schriftenreihe des Bundesministers für Jugend, Familie und Gesundheit Band 78 Verlag W. Kohlhammer Stuttgartt Berlin Köln Mainz (1980) ISBN 3-17-005674-3 [2] R. Pütz und R. Pabst Jörg Hahn & Jens Schlesener 90
    • _________________________________________________________________ Anhang Atlas der Anatomie; CD-Rom Sobotta 20. Auflage 1997 Urban & Schwarzenberg ISBN 3-541-00245-x [3] Internetlexikon http://www.sign-lang.uni Hamburg.de/Projekte/Plex/Plex/lemmata/ R-Lemma/Rueckenm.htm [4] Klaus Kunze Lehrbuch der Neurologie Georg Thieme Verlag Stuttgart New York (1992) ISBN 3-13-761301-9 [5] Dietrich Hohmann und Ralf Uhlig Orthopädische Technik 8. Auflage 1990 Ferdinant Enke Verlag Stuttgart ISBN 3-432-82508-0 [6] Paeslack und Schlüter Physiotherapie in der Rehabilitation Querschnittgelähmter Band 9: Rehabilitation und Prävention Springer Verlag Berlin Heidelberg New York (1980) [7] Barbara Reye Neuroprothesen: Nerven aus Draht Therapiewoche 36, 1995 G. Braun Fachverlage Karlsruhe [8] Titus Arnu und Niko Schmidt - Burgk Jörg Hahn & Jens Schlesener 91
    • Anhang Hoffnung für Querschnittgelähmte: Mit Hilfe eines Computers lernen sie wieder gehen Süddeutsche Zeitung Magazin 27.10.1995 [9] R. Douglas, C. Fillauer und P.F. Larson Dürr. Fillauer Medical Inc. Manual (1983) [10] Dr. med. Georg Neff technische Anleitung, reziproke Gehorthese Übersetzung von dem „Reziproke Gehorthese Basiskabelsystemquot; aus dem Englischen Basko Healthcare [11] T. Giglio Titan in der Orthesentechnik praxis ergotherapie, Jg. 9(1), Februar 1996 [ 12] Günther Cerbe und Hans-Joachim Hoffmann Einführung in die Thermodynamik 10. Auflage 1994 Carl Hanser Verlag München Wien ISBN 3-446-17767-1 [13] Wilhelm Matek Rolloff/ Matek Maschinenelemente: Normung Berechnung Gestaltung 12. Auflage 1992 Verlag Friedrich Vieweg & Sohn ISBN -3-528-64028-6 [14] Michael Jäger und Carl Joachim Wirth Jörg Hahn & Jens Schlesener 92
    • Anhang Praxis in der Orthopädie Georg Thieme Verlag Stuttgart New York 1992 ISBN 3-13-669702-2 [15] Katalog der Firma R&G GmbH Faserverbundwerkstoffe in 71107 Waidenbuch Flüssigkunststoffe 3. Auflage 1992 [16] D.R. Askeland Materialwissenschaften Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg Berlin Oxford 1996 ISBN 3-86025-357-3 [17] G. Heckel und Ch. Roth METCORE - Alternative zur Gießharzteclinik in der Orthopädietechnik Ortopädie - Technik 1/96 [18] Hans-Jürgen Bargel und Günter Schulze Werkstoffkunde 5. Auflage 1988 VDI Verlag ISBN 3-18-400823-1 Anhang G: Bearbeiter Diese Diplomarbeit haben Jörg Hahn Am Mariahof 79 in 54296 Trier, Tel.: 0651 / 31147 und Jens Schlesener Jörg Hahn & Jens Schlesener
    • Anhang Sachsenstraße 25 in 54295 Trier, Tel.: 0651 / 76047 ausgearbeitet. Für Fragen, die zu Beginn weiterführender Diplomarbeiten evtl. auftreten, stehen wir als Ansprechpartner gerne zur Verfügung. Alle Unterlagen, die sich aus den Recherchen angesammelt haben liegen unter den oben angegebenen Adressen bereit. Gerne bieten wir uns als Vermittler an, um während dieser Diplomarbeit geknüpfte Kontakte zu Medizinern, Krankengymnasten und Firmen weiterzuvermitteln. Jörg Hahn & Jens Schlesener 94
    • Detaillösungen Die Bewegungsart der Hydraulikkolben wird über Wegeventile und Verstellblenden beeinflußt. Filtereinheiten und ein Überdruckventil sorgen für hohe Betriebssicherheit. Mit dem Ventil „y„ wird die Bewegungsrichtung der Hydraulikkolben beeinflußt. Soll ein Kolben seine Bewegungsrichtung ändern, während ein anderer seine Bewegungsrichtung beibehält, muß ein getrennter Versorgungszweig parallel zum Ventil „y„ vorgesehen werden. Der einfach wirkende Hydraulikzylinder 1 bietet sich zum Heben und Halten des Beckens an (in Bild 5.4 als Beckenheber bezeichnet). Wird das Ventil „yl2„ geöffnet, wird der Kolben 1 bewegt und das Becken kann über diese Bewegung angehoben werden. Die entgegengesetzte Bewegung wird durch das Körpergewicht beim Abstützen mit der Unterarmgehstütze ohne hydraulische Kraft ausgeführt. Hierzu wird Ventil „yl2„ wieder verriegelt und Ventil „yl 1„ geöffnet. Die Hydraulikmotoren 2 - n leiten die Bewegung der Beine ein. Hierzu bieten sich zweifach wirkende Zylinder an, um die natürlichen Bewegungsabläufe zu imitieren. Beim Beugen des Knies zum Beispiel sind nicht nur die Oberschenkelbeuger (Muskeln auf der Oberschenkelrückseite) aktiv, sondern auch die Oberschenkelstrecker (Muskeln auf der Oberschenkel Vorderseite). Nur durch das Zusammenspiel der Muskelgruppen von Beugern und Streckern kommt eine gut koordinierte Bewegung zustande. Wird das Ventil „y22„ geöffnet, fährt der Kolben 2 ein, und das entsprechende Gelenk kann gebeugt werden. Mit der Blende erfolgt eine Geschwindigkeitsregulierung. Zum Strecken wird das Ventil „y22„ wieder geschlossen und das Ventil „y21„ geöffnet. Über die Blende ist der Kolben hydraulisch eingespannt, so daß eine koordinierte Bewegung möglich ist. Inwiefern einfach oder zweifach wirkende Zylinder für die einzelnen Bewegungen vorgesehen werden müssen, hängt vom Krankheitsbild des Betroffenen ab. Zur Rehabilitation sollte niemals eine noch erhaltene Körperfunktion durch die Hydraulik ersetzt werden, damit diese Funktion durch Entlastung nicht geschwächt wird. Jörg Hahn & Jens Schlesener 74
    • Detaillösungen Die Firma Knapp Micro Fluid® bietet Hydraulikkomponenten mit folgenden Eigenschaften an: • Hydraulikventile, regelbar in einem Bereich von • Hydraulikmotoren mit Kolben-! • Hydraulikschläuche mit einer Betriebssicherheit bis 200bar und 6mm Außen-0 Daraus ergeben sich rechnerisch folgende Grenzwerte: • Berechnung der übertragbaren Kräfte: Das heißt mit dem für die Orthese größten Hydraulikmotor der Firma Knapp Micro Fluid® läßt sich eine Kraft von 25 kN aufbringen, was einer Gewichtskraft, die aus 2,5t Masse resultiert, entspricht. Mit dem kleinsten sich anbietenden Zylinder der Firma Knapp Micro Fluid® läßt sich eine maximale Kraft von aufbringen. Bei Verwendung des im Anhang B beschriebenen Drucktankes zur Energie- versorgung ergeben sich bei einem Betriebsdruck von 150 bar folgende maximale Kräfte: Berechnung der minimal und maximal erreichbaren Kolbengeschwindigkeiten: Jörg Hahn & Jens Schlesener 75
    • Detaillösungen 6. Detaillösungen Dieses Kapitel soll als Schnittstelle für nachfolgende Arbeiten dienen. In ihm werden für einige Details mögliche Lösungen genauer aufgezeigt und beschrieben. So wird z.B. ein als Primärantrieb und zur Energieübertragung geeignetes Hydrauliksystem mit allen Einzelkomponenten vorgestellt. Es folgt eine Konstruktion zur Aufnahme der hydraulischen Linearmotoren und eine Beschreibung der Bandagen, aus denen die Orthese aufgebaut ist. 6.1 Das Hydrauliksystem Zur Verteilung und Wandlung der Energie an den vorgesehenen Elementen bietet sich ein Hydrauliksystem in idealer Weise an. Das in der Orthese zu verwendende System fällt in den Bereich der Mikrohydraulik, wodurch die hohen Systemanforderungen bestens erfüllt werden. Die Systemanforderungen sind im folgenden dargestellt: • Leiser Betrieb (< 55 dBA) • Flexibilität in der Primärenergieversorgung • Geringe Stromaufnahme bei Akkubetrieb (< 10 A, bei 24 V Gleichstromver- sorgung) • Sanfte Einleitung und sanftes Abbremsen von Bewegungen • Exakte Positionierung durch hermetische Dichtheit des Hydrauliksystems, das heißt keine interne oder externe Leckage • Kleinste raumsparende Bauweise • Übertragung von großen Kräften problemlos möglich • Abruf programmierter Bewegungsabläufe möglich • Hohe Betriebssicherheit durch vergleichsweise einfachen Aufbau • Zur Synchronisation von mehreren Bewegungen zueinander bestens geeignet • Kostenvorteile durch Baukastensystem • Individuelle Anpassung an das Krankheitsbild des jeweiligen Patienten durch das Baukastensystem einfach möglich Jörg Hahn & Jens Schlesener 72
    • Detaillösungen Bild 6.1: Prinzipschaltplan der Hydraulikeinheiten Als Vorschlag eine Reversiersteuerung mit elektronisch geregelter Rampen- und Geschwindigkeitssteuerung In Bild 6.1 ist ein Prinzipschaltplan der Hydraulikeinheiten dargestellt. Um ein natürliches Gangbild zu erreichen und dem Benutzer Bedienungskomfort zu bieten, wird die im Bild vorgeschlagene einfache Reversiersteuerung gegen eine kompliziertere Regelung ausgetauscht werden müssen. Die während der Arbeit entstandenen Ideen zur Steuerung oder Regelung werden im Anhang aufgeführt, um für die Entwicklung der Orthesensteuerung oder -regelung einen Ansatz zu bieten. Als Antriebseinheit ist im Bild eine klassische Einheit aus Elektromotor und Pumpe dargestellt, die die Hydraulikmotoren (1,2.. n) mit dem Druckmedium versorgen soll. Jedoch sollte die Energieversorgung aus Gewichtsgründen nicht elektrisch, sondern durch Druckenergie aus einem Tank erfolgen. Hierzu wird im Anhang ein speziell gewichtsoptimierter Drucktank vorgeschlagen. Jörg Hahn & Jens Schlesener 73
    • ____________________________________________________________ Detaillösungen Die Bewegungsart der Hydraulikkolben wird über Wegeventile und Verstellblenden beeinflußt. Filtereinheiten und ein Überdruckventil sorgen für hohe Betriebssicherheit. Mit dem Ventil „y„ wird die Bewegungsrichtung der Hydraulikkolben beeinflußt. Soll ein Kolben seine Bewegungsrichtung ändern, während ein anderer seine Bewegungsrichtung beibehält, muß ein getrennter Versorgungszweig parallel zum Ventil „y„ vorgesehen werden. Der einfach wirkende Hydraulikzylinder 1 bietet sich zum Heben und Halten des Beckens an (in Bild 5.4 als Beckenheber bezeichnet). Wird das Ventil „yl2„ geöffnet, wird der Kolben 1 bewegt und das Becken kann über diese Bewegung angehoben werden. Die entgegengesetzte Bewegung wird durch das Körpergewicht beim Abstützen mit der Unterarmgehstütze ohne hydraulische Kraft ausgeführt. Hierzu wird Ventil „yl2„ wieder verriegelt und Ventil „yl 1„ geöffnet. Die Hydraulikmotoren 2 - n leiten die Bewegung der Beine ein. Hierzu bieten sich zweifach wirkende Zylinder an, um die natürlichen Bewegungsabläufe zu imitieren. Beim Beugen des Knies zum Beispiel sind nicht nur die Oberschenkelbeuger (Muskeln auf der Oberschenkelrückseite) aktiv, sondern auch die Oberschenkel Strecker (Muskeln auf der Oberschenkel Vorderseite). Nur durch das Zusammenspiel der Muskelgruppen von Beugern und Streckern kommt eine gut koordinierte Bewegung zustande. Wird das Ventil „y22„ geöffnet, fährt der Kolben 2 ein, und das entsprechende Gelenk kann gebeugt werden. Mit der Blende erfolgt eine Geschwindigkeitsregulierung. Zum Strecken wird das Ventil „y22„ wieder geschlossen und das Ventil „y21„ geöffnet. Über die Blende ist der Kolben hydraulisch eingespannt, so daß eine koordinierte Bewegung möglich ist. Inwiefern einfach oder zweifach wirkende Zylinder für die einzelnen Bewegungen vorgesehen werden müssen, hängt vom Krankheitsbild des Betroffenen ab. Zur Rehabilitation sollte niemals eine noch erhaltene Körperfunktion durch die Hydraulik ersetzt werden, damit diese Funktion durch Entlastung nicht geschwächt wird. Jörg Hahn & Jens Schlesener 74
    • Detaillösungen Die Firma Knapp Micro Fluid® bietet Hydraulikkomponenten mit folgenden Eigenschaften an: • Hydraulikschläuche mit einer Betriebssicherheit bis 200bar und 6mm Außen-0 Daraus ergeben sich rechnerisch folgende Grenzwerte: • Berechnung der übertragbaren Kräfte: Das heißt mit dem für die Orthese größten Hydraulikmotor der Firma Knapp Micro Fluid® läßt sich eine Kraft von 25 kN aufbringen, was einer Gewichtskraft, die aus 2,5t Masse resultiert, entspricht. Mit dem kleinsten sich anbietenden Zylinder der Firma Knapp Micro Fluid® läßt sich eine maximale Kraft von aufbringen. Bei Verwendung des im Anhang B beschriebenen Drucktankes zur Energie- versorgung ergeben sich bei einem Betriebsdruck von 150 bar folgende maximale Kräfte: • Berechnung der minimal und maximal erreichbaren Kolbengeschwindigkeiten: Jörg Hahn & Jens Schlesener 75
    • Detaillösungen 6.1.1 Experimentelle Ermittlung der notwendigen Längenänderungen Kniegelenk Bandage mit Klettverschluß Bandmaß mit Längenmarkierung für Kniegelenkbeugung von 90° Längenmarkierung bei 45° Beuge- winkel Ausgangsmarkierung bei gestreck- tem Bein Einheit zur Beugewinkelbegrenzung Bild 6.2: Versuchsaufbau zur Ermittlung der Längenänderungen am Knie bei verschiedenen Beugewinkeln Bild 6.2 zeigt den Versuchsaufbau für die Längenmessungen am Knie. Die hier verwendete Orthese bietet sich in idealer Weise an, weil sie einstellbar nur bestimmte Beugewinkel zuläßt. So konnten an der Orthese exakt 45° und 90° Beugewinkel eingestellt werden und die dabei auftretenden Längenänderungen zwischen 0° und 45° bzw. 90° mit einem Maßband abgegriffen werden. Die Längenänderungen wurden bei zwei Versuchspersonen gemessen und anschließend gemittelt. Die Messung erfolgte bei verschiedenen Bowdenzugführungen, wobei die maximalen Werte ausschlaggebend für die Jörg Hahn & Jens Schlesener 76
    • Detaillösungen Dimensionierung der Hublängen der Hydraulikmotoren sind. Die Messungen der Oberschenkelbeugung erfolgte über an Bandagen befestigten Bowdenzügen, die durch provisorische Führungen den vorgesehenen Verläufen folgten. Ebenso wurde die notwendige Bewegungsfreiheit des Beckens aufgenommen. Die Firma Knapp Micro Fluid® bietet Kleinsthydraulikmotoren mit den in Tabelle 6.1 angegebenen Hüben an. Längenäderung in mm bei 45° 90° Unterschenkel Vorderseite 60 75 Rückseite 110 155 Oberschenkel Vorderseite 70 105 Rückseite 70 110 senkrechtem Anheben Becken 60 Tabelle 6.1: Maximale Längenänderungen im Becken bzw. bei Beugewinkeln von 45° und 90° von Ober- und Unterschenkel 6.2 Aufnahme der Hydraulikzylinder Die Aufnahme der Hydraulikzylinder ist in Bild 6.3 dargestellt. Sie besteht aus einer PP oder PE Schale und einem Träger aus sehr dichtem Moosgummi oder Hartschaum. Der Zylinder wird von oben in diese Schale bis zum Anschlag gesteckt und um 120° nach links oder rechts, je nach Ausführung, verdreht, so daß die Hydraulikleitungen in der im Träger dafür vorgesehenen Nut verlaufen. Anschließend wird die Aufnahme mit einem Klettverschluß verschlossen, so daß ein nachträgliches Verdrehen des Zylinders verhindert wird. Die Befestigung der Aufnahme an der Hüftbandage erfolgt mit dem an der Rückseite des Trägers befindlichen Klettverschlusses (Haken). Diese Art der Befestigung ermöglicht Jörg Hahn & Jens Schlesener 77
    • Detaillösungen eine individuelle Plazierung und somit Anpassung des Antriebssystems an die jeweilige Person. Die gesamte Rückseite als Klettverschluß (Haken) PP oder PE Schale, dient zur Aufnahme des Zylinders Klettverschluß (Flausch), hier wird der Klettverschluß zum Verschließen der Aufnahme befestigt Träger der Aufnahme aus sehr dichtem Moosgummi oder Hartschaum Nut im Träger zur Aufnahme der Hydraulikleitungen Anschlag für den Hydraulikzylinder Schmale Reihe Haken zum Verschließen der Aufnahme Bild 6.3: Aufnahme für einen Hydraulikzylinder Die Aufnahme ist in zwei Ausführungen denkbar. Entweder verlaufen die Hydraulikleitungen links oder rechts von der Schale. Dies ist nötig, um eine Befestigung zweier Zylinder direkt nebeneinander zu ermöglichen. 6.3 Anbindung der Bowdenzüge 3 Zur Übertragung der Kräfte bieten sich Bowdenzüge aus Stahl an. Die alternative Verwendung von Bowdenzügen aus Kunststoffen wurde überprüft. Kunststoffzüge oder auch Kunststoffseile mit Durchmessern bis 2 mm haben im Vergleich zu hochwertigen nicht rostenden Stahlzügen bezüglich der Längendehnung und der Festigkeit wesentlich Jörg Hahn & Jens Schlesener 78
    • Detaillösungen schlechtere Kennwerte und Belastungsgrenzen. Bei den kraftübertragenden Teilen muß die Längenausdehnung so gering wie möglich gehalten werden, denn sie spielt für die Steifigkeit der Orthese eine entscheidende Rolle. Aus den nur sehr geringen Volumina, die die Bowdenzüge einnehmen, ergeben sich durch die Verwendung von Kunststoffzügen nur geringe Gewichtsvorteile, die die genannten Nachteile nicht aufwiegen. Bowdenzüge mit den passenden Verbindungsnippeln stellt die Firma GEMO, D. G. Moritz GmbH & Co. KG in Berlin her. Bowdenzug: 0 2mm Gewindestück: Zum Einschrauben in die Gewindebuchse Gewindebuchse: Innengewinde als Verbindungsteil mit Gewindestück; drehbar gelagert zum Aufschrauben auf Gewindestück Kugelaufnahme: Verbindet Auffächerung mit der Gewinde- buchse Auffächerung: Breite Anbindung an den Klettverschluß zur Kraftverteilung, aus einzelnen Zügen oder Bandagengewebe Klettverschluß: Überträgt die Kräfte der Hydraulikmotoren zur Bandage, ist Stufenlos variabel in der Positionierung, großflächig ausgelegt Bild 6.4: Verbindung der Bowdenzüge mit den Bandagen über Kraftverteilung an die variablen Klettverschlüsse Jörg Hahn & Jens Schlesener 79
    • Detaillösungen In Bild 6.4 ist die Verbindung der Bowdenzüge mit den Bandagen dargestellt. An die Enden des Bowdenzuges ist jeweils ein Gewindestift aufgepreßt. Als Aufnahme für den Gewindestift dient die Gewindebuchse. Sie ist drehbar an der Kugelaufnahme gelagert, so daß sich der Gewindestift ohne Verdrehen des Bowdenzuges in die Gewindebuchse einschrauben läßt. In die Kugelaufnahme ist das Ende der Auffächerung, die zur Kraftverteilung dient, eingepreßt. Die Kraft aus den Hydraulikmotoren sollte möglichst großflächig in die Bandage eingeleitet werden, um zum einen die Orthese vor punktuellen Überbelastungen zu bewahren und zum anderen, um Scheuerstellen durch ein Verrutschen der Bandagen an punktuellen Krafteinleitungspunkten zu verhindern. Die Auffächerung kann aus mehreren Zügen oder auch aus dem Bandagenwerkstoff gefertigt werden. Der Klettverschluß stellt die Verbindung zur Bandage her. Er wird mit der Auffächerung vernäht. Zur Einleitung der Kräfte in die Bandagen bieten sich Klettverschlüsse an. Die Klettverschlüsse haben die gleichen Eigenschaften wie die Bandagen, daß heißt sie sind in horizontaler Richtung elastisch und in vertikaler Richtung steif. So wird das Prinzip der absoluten Steifigkeit in der Längsachse aufrechterhalten. Ferner lassen sich die Klettverschlüsse stufenlos an der Bandage positionieren, und es läßt sich eine optimale Anpassung an die Individualitäten der Patienten erreichen. Auf die Grenzwerte der übertragbaren Kräfte über die Klettverschlüsse wird im Punkt 6.5.1 „Individuelle Bandagenanpassung durch Klettverschlüsse,, eingegangen. 6.3.1 Plazierungen der Anbindungen Schrittrichtung Anbindungsbereich für vorderen außenliegenden Anbindungsbereich für Zylinder vorderen innenliegenden Zylinder Anbindungsbereich für Anbindungsbereich für hinteren außenliegenden hinteren innenliegenden Zylinder Zylinder Bild 6.5: Draufsicht aufrechten Oberschenkel Jörg Hahn & Jens Schlesener 80
    • Detaillösungen Beim Ermitteln der nötigen Hubwege der Hydraulikmotoren wurden auch für die Krafteinleitung günstige Plazierungen der Anbindungen gefunden. Dargestellt sind diese Bereiche in Bild 6.5. Die optimalen Anbindungsbereiche können jedoch erst bei Versuchen an einem Modell lokalisiert werden. Generell kann man aber davon ausgehen, daß sich diese kreuzweise Anordnung auch auf die Unterschenkel übertragen läßt. 6.4 Führung der Bowdenzüge Zum Erhalt der Hubwege und zur optimalen Übertragung der Zugkräfte der Hydraulikzylinder müssen die Seilzüge unbedingt geführt werden. Dies kann durch auf die Bandagen aufgenähte oder mit Klettverschlüssen befestigte Textilschlaufen realisiert werden. Beim Anlegen der Orthese werden die Züge einfach durch diese Schlaufen gefädelt und am jeweiligen Kolben befestigt. Die Befestigung der Züge erfolgt wie bei der Anbindung an die Bandagen durch einen Schraubverschluß. 6.5 Bandagen Wie schon in Kapitel 5 erwähnt, müssen die Bandagen eine Reihe von Eigenschaften erfüllen. So sollte das Material hautfreundlich und atmungsaktiv sein, um einen hohen Tragekomfort zu gewährleisten. Weiterhin müssen die Bandagen entsprechend großflächig gestaltet werden, um die Lastverteilung auf die Weichzonen zu realisieren, was zur Vermeidung von Druckstellen besonders wichtig ist. Ferner müssen sie anisotrope Eigenschaften vorweisen, um in horizontaler Richtung die zwecks Anformung notwendige Elastizität und in vertikaler Richtung die notwendige Steifigkeit zu ermöglichen. Dies läßt sich durch die Webart der Bandage realisieren. Natürlich müssen die zum Verschließen der Bandagen verwendeten Klettverschlüsse, die auf die Bandagen genäht werden, die gleichen Eigenschaften besitzen. 6.5.1 Individuelle Bandagenanpassung durch Klettverschlüsse Jörg Hahn & Jens Schlesener 81
    • Detaillösungen Zum bequemen Anlegen der Orthese im Sitzen oder Liegen müssen die einzelnen Bandagen mit einem Verschluß versehen werden. Der Verschluß hat auch gleichzeitig die Aufgabe, die Bandagen paßgenau zu positionieren und bei Belastung an ihren Positionen zu halten. Dafür sind Klettverschlüsse als Schnellbefestiger bestens geeignet. In Bild 6.6 ist eine einfache Ausführung eines Schnellverschlusses als Muster der Firma G. Binder GmbH & Co. in Holzgerlingen dargestellt. Ein Klettverschluß besteht immer aus einer weichen Seite, dem „Flausch,,, der aus vielen kleinen Gewebeschlingen aufgebaut ist und dem „Haft,,, der als Gegenstück zum Flausch aus vielen kleinen Haken besteht, die sich in die Schlingen des Flausches beim Zusammenpressen einhaken. Halt Flausch Bild 6.6: Klettschnellverschluß 20 mm breit in geschlossenem Zustand Die Schnellverschlüsse sind an der einen Seite mit einer Öse versehen, und an der anderen Seite ist an den Flausch als Abschluß ein Stück vom Haft angeschweißt. Mit dem Flausch und der angeschweißten Hakenseite nach Außen gewendet, wird der Haft durch die Öse gezogen und auf den Flausch gepreßt. Dieser Verschluß ist in der Länge stufenlos variabel und kann individuell fest angezogen werden. Wird eine Bandage mit mehreren parallel
    • angeordneten Verschlüssen versehen, wird sogar eine Veränderung des Umfangs des Beines oder der Hüfte innerhalb der Breite einer Bandage berücksichtigt. Diese Beschaffenheit wirkt sich sehr günstig aus, wenn es darum geht, das Verrutschen der Bandagen zu verhindern. Das Gewebe der Verschlüsse hat dieselben elastischen Jörg Hahn & Jens Schlesener 82
    • Detaillösungen Eigenschaften wie die Bandagen. Es ist in horizontaler Richtung elastisch und in vertikaler Richtung steif. Die Verschlüsse sind in verschiedenen - bei den technischen Daten aufgeführten - Breiten erhältlich. Technische Daten (nach G. Binder GmbH & Co. KG): Polyamid Werkstoff: Breiten: 10, 16, 20, 25, 30, 38, 50, 100, 210 mm Gewicht in g/m: Breite in mm 10 16 20 25 30 38 50 100 Haft 2,9 4,9 6,5 7,9 9,8 12,4 16,6 33,3 Flausch 3,0 4,9 6,5 7,9 9,5 13,0 17,0 36,3 Verschluß- Schälfestigkeit: Scherfestigkeit: festigkeiten: 10 N/cm2 nach lx Durchschnitt 2,3 N/cm Bandbreite 6 N/cm2 Öffnen Mindestwerte 1,3 N/cm Bandbreite 0,65 N/cm Bandbreite 3 N/cm2 nach lOOOOx Durchschnitt 0,65 N/cm Bandbreite 3 N/cm2 Öffnen Mindestwerte Aus der Tabelle über die Verschlußfestigkeiten geht hervor, daß diese nach 10000 Schließungen und Öffnungen mindestens noch 50 % der Mindest-Anfangs- Verschlußfestigkeiten betragen sollen. Über Rundungen nimmt die Scherfestigkeit um das 2-3 fache zu. Dieser Effekt müßte, zusammen mit einer großflächigen Auslegung, für die Anbindung der Bowdenzüge genutzt werden. Jörg Hahn & Jens Schlesener 83
    • ____________________________________________________________ Detaillösungen Jörg Hahn & Jens Schlesener 84
    • ____ ___________Ausblick 7. Ausblick Hier endet unsere Arbeit, aber wir hoffen, daß unsere Diplomarbeit als Grundstein weiterer Arbeiten dient. Denn jetzt gilt es, dieses Projekt auch zu verwirklichen, und dazu wären noch Diplomarbeiten mit folgenden Themen möglich. • Ausarbeitung des Antriebes und der Primärenergieversorgung • Der Bau und Test eines Teilmodells • Programmierung der Antriebssteuerung • Der Bau und Test des Prototypen Es ist sinnvoll, die drei ersten Arbeiten parallel laufen zu lassen. Denn so ist die notwendige Abstimmung untereinander am besten gewährleistet. Die zur Programmierung der Steuerung benötigte Ganganalyse kann im Ganglabor der Orthopädischen Universitätsklinik in Heidelberg erstellt werden. Hierbei und bei den Tests des Modells und des späteren Prototypen hat der dortige Oberarzt der Abteilung Orthopädie II, Dr. Bremer, der auch uns viel geholfen hat, seine volle Unterstützung zugesichert. Insgesamt haben alle Beteiligten wie Betroffene, Krankengymnasten, Orthopädietechniker, Ärzte und Firmen ihre weitere Hilfe zugesagt. Eine Auflistung aller Beteiligten und die Möglichkeit sie zu kontaktieren befindet sich im Anhang. Wir wünschen den Diplomanden, die diese Arbeit weiter verfolgen, viel Spaß und Erfolg. Wir hoffen, durch unsere Diplomarbeit bei manchen Studenten das Interesse an der Medizintechnik mit ihrem enormen Handlungsbedarf geweckt zu haben. Denn wir sind der Ansicht, daß gerade die Medizintechnik von den Maschinenbauern als Betätigungsfeld noch stark unterschätzt wird, obwohl das Angebot auf diesem Gebiet sehr breit gefächert ist. Und noch eine Meldung aus der Forschung. Die Frankfurter Allgemeine Zeitung schrieb am 07.08.1996 unter der Überschrift „Querschnittslähmung operativ zu beheben?,, folgendes: Jörg Hahn & Jens Schlesener 85
    • Ausblick „Bei Ratten läßt sich durchtrenntes Rückenmark teilweise durch die Transplantation feiner Nervenfasern wieder miteinander verknüpfen. Allerdings seien die Ergebnisse dieser Experimente, wie die Wissenschaftler des Karolinzka-Instituts in Stockholm in der Zeitschrift Science (Bd.273, S.510) berichten, noch recht dürftig. Die Tiere, denen durch einen chirurgischen Eingriff zunächst ein fünf Millimeter langes Stück aus dem Rückenmark entfernt wurde, konnten sich nach der Operation nur mühsam auf den Beinen halten und diese nicht koordiniert bewegen. Für die Transplantationen wurden 18 zwischen den Rippen verlaufenden Nervenfasern verwendet. Sie dienten gewissermaßen als Leitschiene für die Regeneration der Fasern des Rückenmarks. Zur Befestigung der Rückennerven diente ein biologischer Kleber, der Fibrin und andere Eiweißstoffe beinhaltet. Außerdem wurde ihm eine Substanz - ein saurer Fibroblasten-Wachstumsfaktor - beigemischt, die normalerweise im Rückenmark vorkommt. Sie soll auch das Wachstum des Rückenmarks fördern. Ein weiterer Kunstgriff lag darin, daß die Enden der auf- und absteigenden Stränge jeweils von der das Nervenwachstum unterdrückenden grauen Materie in die regenerationsfreudigere Materie implantiert wurden. Sechs Monate nach dem Eingriff war der Prozeß der Erneuerung beendet. Weitere Verbesserungen ließen sich nicht mehr beobachten. Diese Experimente berechtigen nach der Ansicht einer ganzen Reihe von Forschern zu der Annahme, daß eine Regeneration des Rückenmarks und eine damit verbundene Behandlung von Querschnittslähmungen möglich sein wird.,, Jörg Hahn & Jens Schlesener 86
    • Detaillösungen 6.1.1 Experimentelle Ermittlung der notwendigen Längenänderungen Kniegelenk Bandage mit Klettverschluß Bandmaß mit Längenmarkierung für Kniegelenkbeugung von 90° Längenmarkierung bei 45° Beuge- winkel Ausgangsmarkierung bei gestreck- tem Bein Einheit zur Beugewinkelbegrenzung Bild 6.2: Versuchsaufbau zur Ermittlung der Längenänderungen am Knie bei verschiedenen Beugewinkeln Bild 6.2 zeigt den Versuchsaufbau für die Längenmessungen am Knie. Die hier verwendete Orthese bietet sich in idealer Weise an, weil sie einstellbar nur bestimmte Beugewinkel zuläßt. So konnten an der Orthese exakt 45° und 90° Beugewinkel eingestellt werden und die dabei auftretenden Längenänderungen zwischen 0° und 45° bzw. 90° mit einem Maßband abgegriffen werden. Die Längenänderungen wurden bei zwei Versuchspersonen gemessen und anschließend gemittelt. Die Messung erfolgte bei verschiedenen Bowdenzugführungen, wobei die maximalen Werte ausschlaggebend für die Jörg Hahn & Jens Schlesener 76
    • Detaillösungen Dimensionierung der Hublängen der Hydraulikmotoren sind. Die Messungen der Oberschenkelbeugung erfolgte über an Bandagen befestigten Bowdenzügen, die durch provisorische Führungen den vorgesehenen Verläufen folgten. Ebenso wurde die notwendige Bewegungsfreiheit des Beckens aufgenommen. Die Firma Knapp Micro Fluid® bietet Kleinsthydraulikmotoren mit den in Tabelle 6.1 angegebenen Hüben an. Längenäderung in mm bei 45° 90° Unterschenkel Vorderseite 60 75 Rückseite 110 155 Oberschenkel Vorderseite 70 105 Rückseite 70 110 senkrechtem Anheben Becken 60 Tabelle 6.1: Maximale Tängenänderungen im Becken bzw. bei Beugewinkeln von 45° und 90° von Ober- und Unterschenkel 6.2 Aufnahme der Hydraulikzylinder Die Aufnahme der Hydraulikzylinder ist in Bild 6.3 dargestellt. Sie besteht aus einer PP oder PE Schale und einem Träger aus sehr dichtem Moosgummi oder Hartschaum. Der Zylinder wird von oben in diese Schale bis zum Anschlag gesteckt und um 120° nach links oder rechts, je nach Ausführung, verdreht, so daß die Hydraulikleitungen in der im Träger dafür vorgesehenen Nut verlaufen. Anschließend wird die Aufnahme mit einem Klettverschluß verschlossen, so daß ein nachträgliches Verdrehen des Zylinders verhindert wird. Die Befestigung der Aufnahme an der Hüftbandage erfolgt mit dem an der Rückseite des Trägers befindlichen Klettverschlusses (Haken). Diese Art der Befestigung ermöglicht Jörg Hahn & Jens Schlesener 77
    • Detaillösungen eine individuelle Plazierung und somit Anpassung des Antriebssystems an die jeweilige Person. Die gesamte Rückseite als Klettverschluß (Haken) PP oder PE Schale, dient zur Aufnahme des Zylinders Klettverschluß (Flausch), hier wird der Klettverschluß zum Verschließen der Aufnahme befestigt Träger der Aufnahme aus sehr dichtem Moosgummi oder Hartschaum Nut im Träger zur Aufnahme der Hydraulikleitungen Anschlag für den Hydraulikzylinder Schmale Reihe Haken zum Verschließen der Aufnahme Bild 6.3: Aufnahme für einen Hydraulikzylinder Die Aufnahme ist in zwei Ausführungen denkbar. Entweder verlaufen die Hydraulikleitungen links oder rechts von der Schale. Dies ist nötig, um eine Befestigung zweier Zylinder direkt nebeneinander zu ermöglichen. 6.3 Anbindung der Bowdenzüge 3Zur Übertragung der Kräfte bieten sich Bowdenzüge aus Stahl an. Die alternative Verwendung von Bowdenzügen aus Kunststoffen wurde überprüft. Kunststoffzüge oder auch Kunststoffseile mit Durchmessern bis 2 mm haben im Vergleich zu hochwertigen nicht rostenden Stahlzügen bezüglich der Längendehnung und der Festigkeit wesentlich Jörg Hahn & Jens Schlesener 78
    • Detaillösungen schlechtere Kennwerte und Belastungsgrenzen. Bei den kraftübertragenden Teilen muß die Längenausdehnung so gering wie möglich gehalten werden, denn sie spielt für die Steifigkeit der Orthese eine entscheidende Rolle. Aus den nur sehr geringen Volumina, die die Bowdenzüge einnehmen, ergeben sich durch die Verwendung von Kunststoffzügen nur geringe Gewichtsvorteile, die die genannten Nachteile nicht aufwiegen. Bowdenzüge mit den passenden Verbindungsnippeln stellt die Firma GEMO, D. G. Moritz GmbH & Co. KG in Berlin her. Bowdenzug: 0 2mm Gewindestück: Zum Einschrauben in die Gewindebuchse Gewindebuchse: Innengewinde als Verbindungsteil mit Gewindestück; drehbar gelagert zum Aufschrauben auf Gewindestück Kugelaufnahme: Verbindet Auffächerung mit der Gewinde- buchse Auffächerung: Breite Anbindung an den Klettverschluß zur Kraftverteilung, aus einzelnen Zügen oder Bandagengewebe Klettverschluß: Überträgt die Kräfte der Hydraulikmotoren zur Bandage, ist Stufenlos variabel in der Positionierung, großflächig ausgelegt Bild 6.4: Verbindung der Bowdenzüge mit den Bandagen über Kraftverteilung an die variablen Klettverschlüsse Jörg Hahn & Jens Schlesener 79
    • Detaillösungen In Bild 6.4 ist die Verbindung der Bowdenzüge mit den Bandagen dargestellt. An die Enden des Bowdenzuges ist jeweils ein Gewindestift aufgepreßt. Als Aufnahme für den Gewindestift dient die Gewindebuchse. Sie ist drehbar an der Kugelaufnahme gelagert, so daß sich der Gewindestift ohne Verdrehen des Bowdenzuges in die Gewindebuchse einschrauben läßt. In die Kugelaufnahme ist das Ende der Auffächerung, die zur Kraftverteilung dient, eingepreßt. Die Kraft aus den Hydraulikmotoren sollte möglichst großflächig in die Bandage eingeleitet werden, um zum einen die Orthese vor punktuellen Überbelastungen zu bewahren und zum anderen, um Scheuerstellen durch ein Verrutschen der Bandagen an punktuellen Krafteinleitungspunkten zu verhindern. Die Auffächerung kann aus mehreren Zügen oder auch aus dem Bandagenwerkstoff gefertigt werden. Der Klettverschluß stellt die Verbindung zur Bandage her. Er wird mit der Auffächerung vernäht. Zur Einleitung der Kräfte in die Bandagen bieten sich Klettverschlüsse an. Die Klettverschlüsse haben die gleichen Eigenschaften wie die Bandagen, daß heißt sie sind in horizontaler Richtung elastisch und in vertikaler Richtung steif. So wird das Prinzip der absoluten Steifigkeit in der Längsachse aufrechterhalten. Ferner lassen sich die Klettverschlüsse stufenlos an der Bandage positionieren, und es läßt sich eine optimale Anpassung an die Individualitäten der Patienten erreichen. Auf die Grenzwerte der übertragbaren Kräfte über die Klettverschlüsse wird im Punkt 6.5.1 „Individuelle Bandagenanpassung durch Klettverschlüsse,, eingegangen. 6.3.1 Plazierungen der Anbindungen Schrittrichtung Anbindungsbereich für vorderen außenliegenden Anbindungsbereich für Zylinder vorderen innenliegenden Zylinder Anbindungsbereich für Anbindungsbereich für hinteren innenliegenden hinteren außenliegenden Zylinder Zylinder Bild 6.5: Draufsicht aufrechten Oberschenkel Jörg Hahn & Jens Schlesener 80
    • ____________________________________________________________ Detaillösungen Beim Ermitteln der nötigen Hubwege der Hydraulikmotoren wurden auch für die Krafteinleitung günstige Plazierungen der Anbindungen gefunden. Dargestellt sind diese Bereiche in Bild 6.5. Die optimalen Anbindungsbereiche können jedoch erst bei Versuchen an einem Modell lokalisiert werden. Generell kann man aber davon ausgehen, daß sich diese kreuzweise Anordnung auch auf die Unterschenkel übertragen läßt. 6.4 Führung der Bowdenzüge Zum Erhalt der Hubwege und zur optimalen Übertragung der Zugkräfte der Hydraulikzylinder müssen die Seilzüge unbedingt geführt werden. Dies kann durch auf die Bandagen aufgenähte oder mit Klettverschlüssen befestigte Textilschlaufen realisiert werden. Beim Anlegen der Orthese werden die Züge einfach durch diese Schlaufen gefädelt und am jeweiligen Kolben befestigt. Die Befestigung der Züge erfolgt wie bei der Anbindung an die Bandagen durch einen Schraubverschluß. 6.5 Bandagen Wie schon in Kapitel 5 erwähnt, müssen die Bandagen eine Reihe von Eigenschaften erfüllen. So sollte das Material hautfreundlich und atmungsaktiv sein, um einen hohen Tragekomfort zu gewährleisten. Weiterhin müssen die Bandagen entsprechend großflächig gestaltet werden, um die Lastverteilung auf die Weichzonen zu realisieren, was zur Vermeidung von Druckstellen besonders wichtig ist. Ferner müssen sie anisotrope Eigenschaften vorweisen, um in horizontaler Richtung die zwecks Anformung notwendige Elastizität und in vertikaler Richtung die notwendige Steifigkeit zu ermöglichen. Dies läßt sich durch die Webart der Bandage realisieren. Natürlich müssen die zum Verschließen der Bandagen verwendeten Klettverschlüsse, die auf die Bandagen genäht werden, die gleichen Eigenschaften besitzen. 6.5.1 Individuelle Bandagenanpassung durch Klettverschlüsse Jörg Hahn & Jens Schlesener 81
    • ____________________________________________________________ Detaillösungen Zum bequemen Anlegen der Orthese im Sitzen oder Liegen müssen die einzelnen Bandagen mit einem Verschluß versehen werden. Der Verschluß hat auch gleichzeitig die Aufgabe, die Bandagen paßgenau zu positionieren und bei Belastung an ihren Positionen zu halten. Dafür sind Klettverschlüsse als Schnellbefestiger bestens geeignet. In Bild 6.6 ist eine einfache Ausführung eines Schnellverschlusses als Muster der Firma G. Binder GmbH & Co. in Holzgerlingen dargestellt. Ein Klettverschluß besteht immer aus einer weichen Seite, dem „Flausch,,, der aus vielen kleinen Gewebeschlingen aufgebaut ist und dem „Haft,,, der als Gegenstück zum Flausch aus vielen kleinen Haken besteht, die sich in die Schlingen des Flausches beim Zusammenpressen einhaken. Die Schnellverschlüsse sind an der einen Seite mit einer Öse versehen, und an der anderen Seite ist an den Flausch als Abschluß ein Stück vom Haft angeschweißt. Mit dem Flausch und der angeschweißten Hakenseite nach Außen gewendet, wird der Haft durch die Öse gezogen und auf den Flausch gepreßt. Dieser Verschluß ist in der Länge stufenlos variabel und kann individuell fest angezogen werden. Wird eine Bandage mit mehreren parallel angeordneten Verschlüssen versehen, wird sogar eine Veränderung des Umfangs des Beines oder der Hüfte innerhalb der Breite einer Bandage berücksichtigt. Diese Beschaffenheit wirkt sich sehr günstig aus, wenn es darum geht, das Verrutschen der Bandagen zu verhindern. Das Gewebe der Verschlüsse hat dieselben elastischen Jörg Hahn & Jens Schlesener 82
    • Detaillösungen Eigenschaften wie die Bandagen. Es ist in horizontaler Richtung elastisch und in vertikaler Richtung steif. Die Verschlüsse sind in verschiedenen - bei den technischen Daten aufgeführten - Breiten erhältlich. Technische Daten (nach G. Binder GmbH & Co. KG): Werkstoff: Polyamid Breiten: 10, 16, 20, 25, 30, 38, 50, 100, 210 mm Gewicht in g/m: Breite in mm 10 16 20 25 30 38 50 100 Haft 2,9 4,9 6,5 7,9 9,8 12,4 16,6 Flausch 3,0 4,9 6,5 7,9 9,5 13,0 17,0 36,3 Verschluß- Schälfestigkeit: Scherfestigkeit: festigkeiten: 10 N/cm2 nach lx Durchschnitt 2,3 N/cm Bandbreite 6 N/cm2 Öffnen Mindestwerte 1,3 N/cm Bandbreite 0,65 N/cm Bandbreite 3 N/cm2 nach 10000 x Durchschnitt 0,65 N/cm Bandbreite 3 N/cm2 Öffnen Mindestwerte Aus der Tabelle über die Verschlußfestigkeiten geht hervor, daß diese nach 10000 Schließungen und Öffnungen mindestens noch 50 % der Mindest-Anfangs- Verschlußfestigkeiten betragen sollen. Über Rundungen nimmt die Scherfestigkeit um das 2-3 fache zu. Dieser Effekt müßte, zusammen mit einer großflächigen Auslegung, für die Anbindung der Bowdenzüge genutzt werden. Jörg Hahn & Jens Schlesener 83
    • Detaillösungen Jörg Hahn & Jens Schlesener 84
    • Ausblick 7. Ausblick Hier endet unsere Arbeit, aber wir hoffen, daß unsere Diplomarbeit als Grundstein weiterer Arbeiten dient. Denn jetzt gilt es, dieses Projekt auch zu verwirklichen, und dazu wären noch Diplomarbeiten mit folgenden Themen möglich. • Ausarbeitung des Antriebes und der Primärenergieversorgung • Der Bau und Test eines Teilmodells • Programmierung der Antriebssteuerung • Der Bau und Test des Prototypen Es ist sinnvoll, die drei ersten Arbeiten parallel laufen zu lassen. Denn so ist die notwendige Abstimmung untereinander am besten gewährleistet. Die zur Programmierung der Steuerung benötigte Ganganalyse kann im Ganglabor der Orthopädischen Universitätsklinik in Heidelberg erstellt werden. Hierbei und bei den Tests des Modells und des späteren Prototypen hat der dortige Oberarzt der Abteilung Orthopädie II, Dr. Bremer, der auch uns viel geholfen hat, seine volle Unterstützung zugesichert. Insgesamt haben alle Beteiligten wie Betroffene, Krankengymnasten, Orthopädietechniker, Ärzte und Firmen ihre weitere Hilfe zugesagt. Eine Auflistung aller Beteiligten und die Möglichkeit sie zu kontaktieren befindet sich im Anhang. Wir wünschen den Diplomanden, die diese Arbeit weiter verfolgen, viel Spaß und Erfolg. Wir hoffen, durch unsere Diplomarbeit bei manchen Studenten das Interesse an der Medizintechnik mit ihrem enormen Handlungsbedarf geweckt zu haben. Denn wir sind der Ansicht, daß gerade die Medizintechnik von den Maschinenbauern als Betätigungsfeld noch stark unterschätzt wird, obwohl das Angebot auf diesem Gebiet sehr breit gefächert ist. Und noch eine Meldung aus der Forschung. Die Frankfurter Allgemeine Zeitung schrieb am 07.08.1996 unter der Überschrift „Querschnittslähmung operativ zu beheben?,, folgendes: Jörg Hahn & Jens Schlesener 85
    • Ausblick „Bei Ratten läßt sich durchtrenntes Rückenmark teilweise durch die Transplantation feiner Nervenfasern wieder miteinander verknüpfen. Allerdings seien die Ergebnisse dieser Experimente, wie die Wissenschaftler des Karolinzka-Instituts in Stockholm in der Zeitschrift Science (Bd.273, S.510) berichten, noch recht dürftig. Die Tiere, denen durch einen chirurgischen Eingriff zunächst ein fünf Millimeter langes Stück aus dem Rückenmark entfernt wurde, konnten sich nach der Operation nur mühsam auf den Beinen halten und diese nicht koordiniert bewegen. Für die Transplantationen wurden 18 zwischen den Rippen verlaufenden Nervenfasern verwendet. Sie dienten gewissermaßen als Leitschiene für die Regeneration der Fasern des Rückenmarks. Zur Befestigung der Rückennerven diente ein biologischer Kleber, der Fibrin und andere Eiweißstoffe beinhaltet. Außerdem wurde ihm eine Substanz - ein saurer Fibroblasten-Wachstumsfaktor - beigemischt, die normalerweise im Rückenmark vorkommt. Sie soll auch das Wachstum des Rückenmarks fördern. Ein weiterer Kunstgriff lag darin, daß die Enden der auf- und absteigenden Stränge jeweils von der das Nervenwachstum unterdrückenden grauen Materie in die regenerationsfreudigere Materie implantiert wurden. Sechs Monate nach dem Eingriff war der Prozeß der Erneuerung beendet. Weitere Verbesserungen ließen sich nicht mehr beobachten. Diese Experimente berechtigen nach der Ansicht einer ganzen Reihe von Forschern zu der Annahme, daß eine Regeneration des Rückenmarks und eine damit verbundene Behandlung von Querschnittslähmungen möglich sein wird.,, Jörg Hahn & Jens Schlesener 86
    • Wir begrüßen Sie zum ersten Kontakt mit der Diplomarbeit „Konzeption einer Gehorthese für Querschnittgelähmte. Diese Datei enthält einige Hinweise zur Nutzung der CD-Rom. Die einzelnen Dateien sind nach den Kapiteln der Diplomarbeit unterteilt: • kapO enthält die Einführung in die Diplomarbeit • kap 12 enthält die Kapitel „1. Einleitungquot; und Kapitel „2. Medizinische Grundlagenquot;, • kap3 enthält das Kapitel „3. Stand der Technik von Hilfsmitteln für Querschnittgelähmtequot;, • kap4 enthält das Kapitel „4. Werkstoffe im Orthesenbauquot;, • kap5 enthält das Kapitel „5. Ideenfindungquot;, • kap67 enthält die Kapitel „6. Detaillösungenquot; und Kapitel „7. Ausblickquot;, • danach folgt der „Anhangquot; im Ordner anhang Desweiteren sind auf dieser CD-Rom die während der Diplomarbeit erarbeiteten catia Model- Files der Detailkonstruktionen und der Lösungskonzepte gespeichert Die einzelnen Kapitel lassen sich mit MS-Word 7.0 öffnen. Die catia Model-Files wurden mit der Version catia 4.1.7 erstellt.