Die Anforderungen an die Eigenschaften und an die Haltbarkeit von Implantatwerkstoffen haben in den vergangenen Jahren deutlich zugenommen. Dies begründet sich durch ein vermehrt jüngeres, aktiveres und anspruchsvolleres Patientenklientel, durch welches höhere Erwartungen an die Implantate zum Ersatz des Hüft-, Knie oder Schultergelenkes gestellt werden. Zudem hat sich ein verstärktes Bewusstsein gegenüber einzelnen Werkstoffbestandteilen wie zum Beispiel Chrom oder Kobalt und möglichen negativen Auswirkungen dieser Bestandteile entwickelt, was die Suche nach alternativen Materialkonzepten verstärkt hat. Als neues Material hat sich die Weiterentwicklung des Polyethylens bis hin zu seiner antioxidativen Stabilisierung etabliert. Auch keramische Werkstoffe und Beschichtungen haben in den vergangenen Jahren relevante Fortschritte gemacht. Ein in der Endoprothetik recht neues Material ist Polyetheretherketon (PEEK), welches insbesondere im Bereich der Knieendoprothetik attraktiv werden könnte. Im Folgenden werden wesentliche Entwicklungen hinsichtlich dieser neuen Materialien, aber auch in Bezug auf moderne Fertigungsverfahren, wie zum Beispiel dem 3-D Druck erläutert.

QUERVERNETZTES UND ANTIOXIDATIV STABILISIERTES POLYETHYLEN

Obwohl der Ersatz des Hüft- und Kniegelenkes ein gängiges und sehr erfolgreiches operatives Verfahren ist, so wurde die langfristige Haltbarkeit der Implantate durch zelluläre Reaktionen auf Polyethylenabrieb und die daraus resultierenden Auswirkungen auf den periprothetischen Knochen (wie z. B. durch die Bildung partikelinduzierter Osteolysen) ungünstig beeinträchtigt, was in der Vergangenheit häufig zu einem vorzeitigen Versagen des Gelenkersatzes geführt hat.

Somit stand bei der Weiterentwicklung von konventionellem, ultrahochmolekularem Polyethylen (PE) vornehmlich die Reduktion des Materialverschleißes im Vordergrund.

Bedingt durch Forschungsarbeiten, die die Auswirkungen der Sterilisation auf den PE-Verschleiß untersuchten, wurde zunächst festgestellt, dass eine zunehmende Bestrahlungsdosis zu einer Verschleißreduktion führen kann. Die Veränderung der Materialeigenschaft erwies sich als eine unmittelbare Folge auf die strahlungsbedingte Quervernetzung des PEs. Bei der Quervernetzung werden durch einen Energieeintrag mittels Gamma- oder Elektronenstrahl Atomen oder Seitengruppen aus benachbarten Ketten entfernt, wodurch kovalente Bindungen  entstehen und Ketten miteinander verbunden werden können. Neben einer Verbesserung der Verschleißeigenschaften zeigte sich allerdings auch eine Reduktion der Festigkeitseigenschaften des quervernetzten Polyethylens (XPE) einschließlich einer geringeren Beständigkeit gegen Ermüdungsrisse. Zudem bilden sich durch die Vernetzung, neben den Querverbindungen, auch freie Radikale im XPE, die eine Oxidation und somit Versprödung des Materials begünstigen (Abb. 1). Um diesen Aspekten entgegenzuwirken, wurden zunächst thermische Nachbehandlungen entwickelt, bei denen das Material nach der Quervernetzung erwärmt („annealed“) oder aufgeschmolzen („remelted“) wurde. Das Erwärmen hatte den Vorteil, dass kristalline Strukturen im Material weitestgehend erhalten blieben, aber nicht alle freien Radikale eliminiert werden konnten, wodurch sich eine Nachoxidation des Materials nicht ausschließen ließ. Beim Aufschmelzen wird zwar ein Großteil der freien Radikale entfernt, allerdings werden auch die kristallinen Strukturen aufgelöst, was sich nachteilig auf die mechanische Festigkeit auswirkt.

Für die primäre Hüftendoprothetik existiert eine große Anzahl von Studien und Registerdaten, die belegen, dass XPE nicht nur einen deutlich geringeren Verschleiß als PE aufweist, sondern auch, dass sich durch die Verwendung von XPE die Häufigkeit periprothetischer Osteolysen und die Revisionswahrscheinlichkeit deutlich reduzieren lassen (Abb. 2). Allerdings zeigte sich auch, dass sich die durch die Quervernetzung veränderten Materialeigenschaften (wie z. B. eine reduzierte mechanische Festigkeit bzw. die Gefahr der Nachoxidation des Materials) ungünstig auswirken können, insbesondere dann, wenn diese bei dünnwandigen Komponenten zum Einsatz kommen. So kam es beim Einsatz von XPE zu einzelnen Fehlschlägen in der Schulterendoprothetik oder Randabplatzern bei dünnwandigen Hüftpfannenkomponenten. In der Knieendoprothtik hat sich daher auch ein eher moderat quervernetztes PE etabliert, da das Ausmaß der Materialveränderung (sowohl positiv im Sinne einer Verschleißreduktion als auch negativ im Sinne einer reduzierten Festigkeit oder Oxidationsanfälligkeit) vom Grad der Quervernetzung bzw. dem Grad der Bestrahlungsdosis abhängt.

In Bezug auf die Knieendoprothetik ist der Vorteil in der Verwendung von XPE hinsichtlich einer Reduktion der Revisionsrate nicht so deutlich ausgeprägt wie in der Hüftendoprothetik. Hier scheint das jeweilige Implantatdesign eine zusätzliche Rolle zu spielen, dennoch profitieren hier insbesondere jüngere Patienten von der Nutzung von XPE.

Um den Herausforderungen der Quervernetzung (Oxidation, Wärmebehandlung, reduzierte Festigkeit etc.) zu begegnen, wurde das Material in den vergangenen Jahren weiterentwickelt hin zu seiner modernsten Form, dem antioxidativ stabilisierten quervernetzten Polyethylen (AOXPE).

Anstatt die freien Radikale thermisch zu eliminieren, wird das Material chemisch stabilisiert. Dies erfolgt durch die Zugabe eines Antioxidationsmittels wie Alpha-Tocopherol (Vitamin E) oder auch durch Pentaerythritol Tetrakis. Das Material wird quervernetzt, aber nicht mehr wärmebehandelt, wodurch die ursprüngliche Struktur des Polymers weitgehend erhalten bleibt (Abb. 3).

In-vitro-Studien haben gezeigt, dass AOXPE auch unter exzessiver künstlicher Alterung stabil bleibt und sich hierbei auch im Verschleiß vorteilhaft gegenüber XPE verhält. Klinisch und anhand von Registerdaten lässt sich bisher allerdings noch kein relevanter Vorteil von AOXPE im Vergleich zu XPE belegen. Dies könnte aber auch daran liegen, dass AOXPE erst seit wenigen Jahren klinisch eingesetzt wird und dass sich materialbedingte Unterschiede häufig erst nach einer längeren Dauer klinisch herauskristallisieren.

WEITERENTWICKLUNG KERAMISCHER WERKSTOFFE

Keramische Materialien sind aufgrund ihrer Härte und hervorragenden Biokompatibilität sehr gut geeignete Materialien für artikulierende Implantatkomponenten und konnten sich in der Hüftendoprothetik etablieren. Sie werden dort mit Polyethylen (in den verschiedenen Varianten) kombiniert (Hart-Weich-Paarung) oder als Keramik-Keramik-Gleitpaarung (Hart-Hart-Paarung) eingesetzt. Zunächst kam als Werkstoff Aluminiumoxid, später auch Zirkoniumdioxid zum Einsatz. Beide Keramiken weisen allerdings spezifische Vor- und Nachteile auf.

So weist die Aluminiumoxidkeramik eine enorme Härte auf, was vorteilhaft für das Verschleißverhalten ist, die Aluminiumoxidkeramik reagiert jedoch empfindlich auf Zugspannungen, was sich auf das Bruchrisiko der Keramik auswirkt. Aufgrund der höheren Zähigkeit weist die Zirkoniumdioxidkeramik diesbezüglich bessere mechanische Eigenschaften und eine sehr hohe Rissbeständigkeit auf. Dies erklärt sich anhand der Phasenumwandlungszähigkeit: Die spannungsinduzierte Phasenumwandlung beinhaltet die Umwandlung metastabiler tetragonaler Körner in die monokline Phase an der Rissspitze. Sie geht mit einer Volumenausdehnung einher und induziert Druckspannungen, die die Rissausbreitung behindern. Andererseits unterliegt dieses Material aufgrund der fortschreitenden Kristallumwandlung mit der Zeit einer langsamen hydrothermalen Zersetzung.

Um die positiven Eigenschaften beider Keramiken zu kombinieren (die vorteilhafte Festigkeit und Zähigkeit von Zirkoniumdioxid und die höheren Verschleißbeständigkeit und hydrothermale Stabilität von Aluminiumoxid) wurden Mischoxidkeramiken entwickelt.

Die im Bereich der Endoprothetik derzeit am verbreitetste Mischoxidkeramik ist die Biolox® delta-Keramik (Hersteller Ceramtec), bei der das Aluminiumoxid durch die Zugabe vonYttriumoxid-stabilisiertem Zirkoniumdioxid verstärkt wird (Zirconia Toughened Alumina (ZTA)). Diese Keramik besteht aus etwa 75 % Aluminiumoxid, 25 % Zirkoniumoxid und zudem geringen Konzentrationen weiterer Oxide. Seitens des Herstellers Mathys existieren zwei Mischoxidkeramiken. Zum einen eine ATZ-Keramik (Alumina Toughened Zirconia), die zu 20 % aus Aluminiumoxid und 80 % Zirkoniumoxid besteht (Handelsname: Ceramys) und eine ZTA-Keramik, die zu 75 % aus Aluminiumoxid und 25 % Zirkoniumoxid besteht (Handelsname: Symarec). Die Ceramys-ATZ Keramik weist dabei etwas höhere Festigkeits- und Bruchzähigkeitskennwerte als die Symarec- ZTA-Keramik auf, wodurch erstere insbesondere für Keramik- Keramik-Gleitpaarungen geeignet ist.

Insgesamt weisen die neueren Mischoxidkeramiken vorteilhaftere mechanische Eigenschaften als die älteren Aluminiumoxidkeramiken auf, wodurch sie mehr und mehr auch für dünnwandige Implantatkomponenten z. B. im Bereich der Knie- aber auch Schulterendoprothetik in Betracht kommen (Abb. 4).

BESCHICHTUNGEN

Insbesondere in der Knieendoprothetik, aber auch in der Schulterendoprothetik werden vermehrt Beschichtungen eingesetzt, um einen Ionenaustritt von Chrom und Kobalt aus dem Grundmaterial zu verhindern bzw. zu reduzieren. Oft werden diese Systeme als hypoallergene Implantate angeboten. Die Versorgungshäufigkeit mit hypoallergenen Implantaten hat in den vergangenen Jahren deutlich zugenommen und liegt in Deutschland bei derzeit ca. 8 % in der primären Knieendoprothetik (gemäß des Deutschen Endoprothesenregisters, EPRD). Aktuell sind mehrere Beschichtungsvarianten in der klinischen Anwendung: Titan-Nitrid (TiN), Titan-Niob-Nitrid (TiNbN) und Zirkonium-Nitrid (ZrN).

Technisch zu berücksichtigen ist, dass die aufgetragene Schicht deutlich härter ist als das darunter liegende Grundmaterial. In den anfänglichen Entwicklungen haben die unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften gelegentlich dazu geführt, dass es zur Delamination („Abplatzen“) der Schicht gekommen ist und Beschichtungen teilweise auch durchgerieben wurden. Die meisten Hersteller verwenden TiN- oder TiNbN-Beschichtungen, die in einer Schicht (Monolayer) auf das Grundmaterial aufgetragen werden. Um den Übergang zwischen der äußeren Schicht und dem Grundmaterial mechanisch abzustufen, wurde eine mehrstufige Beschichtung (Multilayer-Beschichtung) entwickelt (Hersteller Aesculap, Handelsname: Advanced Surface – AS). Hierbei besteht die äußerste Schicht aus ZrN während die darunter liegenden Schichten andere chemische Bestandteile aufweisen. Die Schichten sind so aufgebaut, dass der Härtegrad der Schichten von außen nach innen abnimmt, um so eine besser Haftfestigkeit der Beschichtung auf dem Grundmaterial zu erreichen.

Zu Beschichtungen von Knieendoprothesen existieren einige in-vitro-Studien, aber insgesamt nur wenige klinische Studien. So können Implantate mit Beschichtung der Femurkomponente einen geringeren Polyethylenverschleiß aufweisen. Dies wurde für die ZrN-Oberfläche gezeigt, während Ergebnisse von Verschleißtests von TiN-beschichteten Oberflächen im Vergleich zu unbeschichteten Oberflächen sowohl zu niedrigerem als auch zu höherem Polyethylen-Abrieb führten. Für TiNbN-Beschichtungen liegen nur wenige In-vitro-Studien vor, wobei diese tendenziell vergleichbare Polyethylene-Abriebraten wie unbeschichtete Komponenten zeigen.

Klinisch ist das funktionelle Ergebnis von TiN-beschichteten und unbeschichteten Femurkomponenten prinzipiell vergleichbar.

In Bezug auf die Revisionswahrscheinlichkeit ist die Datenlage kontrovers. Aus verschiedenen nationalen Registern lassen sich für beschichtete Implantate höhere Revisionsraten ableiten als für unbeschichtete Implantate. Dies scheint allerdings nicht für ZrN-Beschichtungen zu gelten. Hier zeigen sich z. B. im australischen Register geringere Revisionsraten als bei TiN-beschichteten und auch geringere Revisionsraten im Vergleich zu konventionellen Femurkomponenten. Offen bleibt, inwieweit sich die Ergebnisse zu beschichteten und unbeschichteten Implantaten grundsätzlich vergleichen lassen, da neben den unterschiedlichen Schichtvarianten auch verschiedene Herstellungstechnologien zum Einsatz kommen und zudem eine gewisse Verzerrung („selection bias“) in Bezug auf die Patienten relevant sein könnte. Daher wird weiterer Bedarf nach Studien mit hohem Evidenzgrad gesehen, um den Nutzen von Beschichtungen umfassend bewerten zu können.

PEEK

Polyetheretherketon (PEEK) ist ein thermoplastisches Polymer, das aufgrund seiner günstigen mechanischen Eigenschaften und seiner recht guten Bio-Verträglichkeit klinisch an der Wirbelsäule eingesetzt wird und auch als Biomaterial für den Gelenkersatz vermehrt in Betracht kommt (Abb. 5).

Im Vergleich zu metallischen oder keramischen Werkstoffen weist PEEK eine deutlich höhere Elastizität auf und basierend auf Computersimulationen konnte für Femurkomponenten gezeigt werden, dass PEEK zu einer besseren Knochenstimulation und weniger Stress-Shielding führen kann als eine vergleichbare metallische Implantatkomponente. Offenbar kann das nachgiebigere Material die Kräfte physiologischer verteilen als ein steiferes Implantat aus Metall.

Das Interesse an der Verwendung von PEEK als Gleitlagerwerkstoff für die Endoprothetik, entweder in seiner natürlichen, unverstärkten Form oder verstärkt mit Kohlenstofffasern (CFRPEEK), hat zugenommen und erste experimentelle Studien wurden hierzu vorgestellt. So zeigten sich vergleichbare oder auch vorteilhafte Verschleißeigenschaften, wenn nicht-faserverstärktes PEEK mit Polyethylen artikuliert. Zu CFR-PEEK liegen allerdings unterschiedliche Daten vor. So wird CFR-PEEK einerseits erfolgreich in stabilisierenden Komponenten von Revisions-Knieendoprothesen (z. B. in Buchsen, Flanschen, etc.) eingesetzt, während andere Studien einen erhöhten Verschleiß berichten, insbesondere dann, wenn hohe Flächenpressungen wirken und die Artikulation direkt mit unbeschichteten Metallen stattfindet. Dies zeigt, dass das Implantatdesign die Beanspruchungsgrenzen der CFR-PEEK Komponenten berücksichtigen muss. Zudem spielen die Herstellungsverfahren, wie z. B. die Maßhaltigkeit der Teile eine wichtige Rolle.

Somit scheint PEEK durchaus Potenzial als neuer und alternativer Werkstoff in der Endoprothetik zu haben. Nutzen und Risiken sollten daher weiter untersucht und auch durch klinische Studien belegt werden.

3D-DRUCK

Der Einsatz des 3D-Drucks hat sich in den letzten zehn Jahren in der Medizin immer mehr durchgesetzt, da Operateure und Wissenschaftler zunehmend die Flexibilität dieser Technologie nutzen. Der 3D-Druck ist ein Herstellungsverfahren, bei dem Materialien wie Kunststoff oder Metall schichtweise aufgetragen werden, um aus einem digitalen Modell ein detailgetreues 3D-Objekt herzustellen. Diese additive Fertigungsmethode hat den Vorteil, dass Objekte mit komplexer Freiformgeometrie produziert werden können, was mit herkömmlichen Fertigungsmethoden häufig kaum machbar ist. Speziell bei chirurgischen Anwendungen können die 3D-Drucktechniken nicht nur Modelle erzeugen, die ein besseres Verständnis der komplexen Anatomie und Pathologie der Patienten ermöglichen und die Ausbildung und das chirurgische Training unterstützen, sondern auch patientenspezifische Schablonen oder sogar maßgeschneiderte Implantate herstellen, die auf die chirurgischen Anforderungen zugeschnitten sind.

Patientenspezifische Schablonen (bzw. patientenspezifische Instrumente-PSI) werden auf der Grundlage eines 3DOberflächenmodells der individuellen knöchernen Anatomie des Patienten erstellt, um dann als Führungsschablone während des operativen Eingriffs verwendet werden zu können. Unter Nutzung dieser Führungsschablone wird somit z. B. die Richtung einer Säge vorgegeben. Anhand der präzisen Sägeschnitte kann dann die Implantatkomponente (z. B. die Femurkondyle eines Kniegelenkersatzes) orientiert und implantiert werden. Der Einsatz konventioneller Instrumente zur Ausrichtung der Implantatkomponenten reduziert sich dementsprechend, allerdings kann die Orientierung bzw. Ausrichtung der durch eine Führungsschablone vorgegeben Sägeschnitte nur sehr eingeschränkt, im Nachhinein manuell korrigiert werden.

Auch das direkte 3D-Drucken von metallischen Implantaten hat sich rapide weiterentwickelt. Relativ häufig werden bereits Wirbelsäulen-Cages und auch erste Tibia-Plateaus und Hüftgelenkpfannen serienmäßig aus Titan gedruckt. Besonders für die Herstellung patientenspezifischer Implantate eignet sich der 3D-Druck. Dies ist einerseits für individuelle Defektversorgungen (z. B. bei Beckenteilersatz-Implantaten) oder bei stark abweichender Anatomie (bei der eine Versorgung mit Standard-Implantaten schwierig ist) von Interesse. Neben der anatomischen Anpassung an die chirurgischen Anforderungen des Patienten können 3D-gedruckte Implantate mit Gerüstgittern hergestellt werden, die die Osteointegration erleichtern und die Steifigkeit des Implantats verringern sollen. Dies ist besonders für die Herstellung von Augmenten oder Strukturen zur Defektüberbrückung interessant (Abb. 6). Zudem könnten zelluläre Strukturen pharmakologisch genutzt werden, um z. B. eine gezielte (lokale) Wirkstofffreisetzung zu begünstigen.

Beim 3D-Drucken von metallischen Implantaten aus Titan sind allerdings noch einige Herausforderungen zu meistern. Da die Herstellung aus einem Titan-Pulver-Bett heraus erfolgt, muss sichergestellt werden, dass keine relevanten Pulver-Rückstände an den Implantaten verbleiben. Eine große Herausforderung stellt auch die Dauerfestigkeit für lasttragende Komponenten (wie z. B. Hüftschäfte) dar, da die mechanischen  Eigenschaften (insbesondere die Festigkeitskennwerte) der gedruckten Bauteile nicht ohne Weiteres mit denen konventionell gefertigter Bauteile vergleichbar sind. Hier sind aufwendige Nachbehandlungsverfahren notwendig.

Auch die noch relativ hohen Kosten der Implantate, die Vorlaufzeit bei der Herstellung und die mangelnde intraoperative Flexibilität sind Aspekte, die es noch zu überwinden gilt.

FAZIT

In den vergangenen Jahren wurden neue Hightech Implantatwerkstoffe eingeführt bzw. technologisch weiterentwickelt. Bei einigen dieser Entwicklungen ist der Nutzen für den Patienten bereits evident, während dieser Nachweis bei einigen Materialvarianten noch aussteht. Grundsätzlich sollten neue Entwicklungen in diesem Bereich zunächst intensiv präklinisch evaluiert werden. Nach klinischer Einführung entsprechender neuer Technologien sollten diese sorgfältig klinisch beobachtet werden, mit dem Ziel, eine maximale Sicherheit bei größtmöglichem Nutzen für den Patienten zu erreichen.

Literatur auf Anfrage beim Autor.

Hochtechnologie in der Technischen Orthopädie besitzt viele Gesichter. Neben zeitgemäßen Materialien einschließlich verfügbarer Hochleistungsfasern, innovativen Fertigungstechniken eingebettet in digitale Fertigungsketten kommen zunehmend komplexere mechatronische Systeme und neuroelektronische Komponenten, die nicht nur am, sondern auch im menschlichen Körper zur Anwendung.

In den 80er-Jahren hielt die Carbonfaser Einzug in die Welt der Beinprothetik und revolutionierte das Feld durch eine bis dato nicht gekannte energetisch vorteilhafte Elastizität bei gleichzeitig geringem Gewicht und hoher Festigkeit (Wing et al 1989, Gitter et al 1991). Heute, fast vierzig Jahre später, ist der Faserverbund bei der Hilfsmittelversorgung nicht mehr wegzudenken.

3D-DRUCK IN DER TECHNISCHEN ORTHOPÄDIE

Die Verfügbarkeit innovativer Materialien wird begleitet von der Einführung modernster Fertigungsverfahren. Heutzutage nehmen additive Fertigungsverfahren – auch als 3D-Druck bekannt (Abb. 1) – einen immer höheren Stellenwert ein. Allerdings befindet sich diese Technologie trotz rasanter Fortschritte noch in den orthopädietechnischen „Kinderschuhen“.

Additive Fertigungsverfahren können heute die konventionellen Methoden der Carbonfaser- oder gar der Silikonverarbeitung in der Hilfsmittelversorgung noch nicht ersetzen. Darüber hinaus sind diese Verfahren zum Teil deutlich kostenintensiver als die konventionellen handwerklichen Methoden. Sie stellen jedoch eine Erweiterung des Portfolios dar und erlauben im Einzelfall völlig neue Gestaltungsvarianten mit bis vor einigen Jahren noch nicht vorstellbaren technischen Möglichkeiten.

Voraussetzung für die Nutzung der neuen Fertigungsverfahren war und ist die langsame, aber stetige digitale Transformation des Fachs. Oberflächenscans, die dreidimensionale digitale Abbilder anatomischer Strukturen ermöglichen, sind in verschiedenen Versorgungsbereichen bereits etabliert. Darauf aufbauend kann eine digitale Manipulation unter Berücksichtigung klinischer und biomechanischer, aber auch rein technischer Erfordernisse erfolgen – also quasi die Modellierung eines Köpers oder einer anatomischen Struktur am Computer. Hohe Reproduzierbarkeit und Transparenz sind große Vorteile des digitalen Versorgungsprozesses und kommen daher schon heute in vielen Teilgebieten regelhaft zum Einsatz (Abb. 2).

Aktuelle Ansätze dieser digitalen Arbeitsmethoden erlauben es den Orthopädietechniker*innen, ihr bisheriges Erfahrungswissen zu quantifizieren und somit nachvollziehbar zu machen. Dies bedeutet, dass Versorgungsergebnisse und Arbeitsschritte digitalisiert werden, um alltagstaugliche und biomechanisch erfolgreiche Grundprinzipien und Prozesse als eine Art Urmodell zu hinterlegen. Diese können dann an die jeweiligen individuellen Patientenbedürfnisse angepasst und optimiert werden. In der weiteren Entwicklung sollen intelligente Algorithmen auf dieser Basis die anatomische Ursprungsform und biomechanisch/klinische Zweck- oder Zielform des späteren Hilfsmittels (z. B. der Orthese) auf Basis vieler vergleichbarer Fälle weiter optimieren.

FACHLEUTE WERDEN AUCH IN ZUKUNFT BENÖTIGT

Bei allem technischen Fortschritt erscheint allerdings eine vollständige Automatisierung der individualisierten Hilfsmittelfertigung und -anpassung nach heutigem Stand sehr unwahrscheinlich. Da die klinische Situation der Patienten und deren individuelle Wünsche und Anforderungen nicht ohne weiteres quantifizierbar sind, wird die finale Entscheidung beim klinischen Experten verbleiben müssen. Auch wenn es ein perfekt passendes und einwandfrei funktionierendes Hilfsmittel ohne menschliches Zutun nicht geben wird, so können mit der digitalen Fertigungskette im Sinne der Optimierung und Effizienzsteigerung bereits heute gute Ausgangsprodukte zur Verfügung gestellt werden, die dann durch erfahrene Techniker*innen weiter an die Patientenbedürfnisse angepasst werden.

Daher haben nach wie vor auch geradezu historisch anmutende Methoden wie beispielhaft der Gipsabdruck noch einen hohen Stellenwert. Der Gipsabdruck ist zwar sicherlich für Patienten, je nach anatomischer Region mehr oder weniger belastend, aber er erlaubt eine direkte Manipulation und Stellungsanpassung während des Abdrucks. Eine Option, die mittels 3D-Scantechnik nur bedingt gegeben ist. Hier bestehen derzeit verschiedene Ansätze, mittels technischer Vorrichtungen, als sogenannte Scanhilfe die Hände des Orthopädietechnikers wenigstens kurzzeitig beim Scannen zu ersetzen.

Die vorgenannten Beispiele für den technologischen Fortschritt zeigen, dass es nicht nur um mechatronische Systeme, wie moderne elektronische Hände und Gelenke in Prothesen oder Orthesen geht, sondern auch um die vermeintlich schlichte Digitalisierung etablierter Handwerksschritte. In Zeiten von sich verschärfendem Fachkräftemangel sind digitale Fertigungstechnologien eine wichtige zukunftsweisende Maßnahme, ohne dabei die immens wichtige Expertise der Techniker* innen und deren Ausbildung zu vergessen. Im Gegenteil, moderne Technologien erlauben im Bereich der Technischen Orthopädie eine neue Ebene der Qualitätssicherung, Prozesstransparenz und -reproduzierbarkeit und schaffen gleichermaßen Valenzen, sodass Experten*innen mehr Zeit im persönlichen
Umgang mit ihren Patienten*innen erhalten.

HOCHTECHNOLOGIE AUS INDUSTRIE UND FORSCHUNG

Nicht nur in der handwerklichen Arbeit und in der Anpassung moderner orthopädischer Hilfsmittel zeigen sich rasante Fortschritt, auch industrielle Produkte entwickeln sich zunehmend in Richtung Hochtechnologie. Beispielhaft seien hier myoelektrische Armprothesen genannt, also Prothesen, die über die Ableitung elektrischer Aktivitäten von wenigen, noch am Stumpf vorhandenen Muskeln gesteuert werden. Während dieses Verfahren seine Ursprünge in den 60er Jahren des letzten Jahrhunderts hat, entwickelt sich deren Umsetzung und die Steuerung stetig weiter. Wurden die Muskelsignale in der Vergangenheit ausschließlich über Oberflächenelektroden abgeleitet, so werden heute weltweit große Anstrengungen unternommen, die Steuersignale direkt an Muskeln oder sogar an versorgenden Nerven abgreifen. Ziel ist nicht nur eine höhere Zuverlässigkeit und Nutzerfreundlichkeit der Steuerung und damit der gesamten Prothese, sondern langfristig die Umsetzung einer gezielten Ansteuerung einzelner Finger einer Multiartikulationsprothese. Auch werden neuerdings Ansätze entwickelt, die eine Ansteuerung direkt über Gehirnsignale andenken.

Speziell die Entwicklung von neuronalen Schnittstellen, wie hochselektiven Nervenelektroden, verspricht einen bisher nicht für möglich gehaltenen Grad der Funktionswiederherstellung. Mit dieser Technologie können nämlich nicht nur Signale der motorischen Fasern eines peripheren Nervens abgeleitet werden, sondern auch die sensiblen Fasern elektrisch stimuliert werden (Petrini et al 2019). In Verbindung mit einer mit Kraft- und Winkelsensoren ausgestatteten Prothese kann eine „fühlenden Prothese“ umgesetzt werden (Abb. 3). Die Wiederherstellung der Sensibilität ist aus vielerlei Gründen wichtig: Zum einen wird bei der Nutzung einer Beinprothese das Sturzrisiko deutlich vermindert, zum anderen zeigt sich ein verbessertes Gangbild. Die Prothese wird zudem von Anwender*innen nicht mehr als Fremdkörper, sondern als Teil des eigenen Körpers wahrgenommen. All dies erhöht den Alltagsnutzen und die Akzeptanz des Hilfsmittels.

Aus der Gehirnforschung weiß man darüber hinaus, dass das von vielen Menschen nach der Amputation berichtete Phänomen des Phantomschmerzes positiv durch die Nutzung einer Prothese beeinflussbar ist. Besonders beim Einsatz eines durch Armmuskelaktivitäten aktiv gesteuerten Prothesentyps findet sich bei deren Anwendern*innen eine deutliche Reorganisation der Nervennetzwerke im Gehirn mit einhergehender reduzierter Schmerzsymptomatik (Herta Flor 2002).

Allerdings ist anzumerken, dass die bisher aufgezählten Nervenimplantate bisher nur bei Einzelfallstudien im Rahmen von Forschungsprojekten eingesetzt wurden. Auch wenn einige Firmen eine Zulassung der implantierbaren Technologien anstreben, ist bei den aktuellen europäischen gesetzlichen Vorgaben der Medical Device Regulation (MDR) nicht von einer schnellen Markteinführung auszugehen. Es wird also noch dauern, bis die innovativen Systeme als Teil der Regelversorgung einer Prothese oder Orthese zur Verfügung stehen werden.

OPERATIVE MASSNAHMEN ZUR VERBESSERTEN PROTHESENSTEUERUNG

Im Gegensatz zu den erwähnten Implantaten zur Schaffung einer direkten neuralen Schnittstelle, haben sich mittlerweile andere operative Verfahren zur intuitiveren, gleichzeitigen Steuerung der vielen Freiheitsgrade von Armprothesen etabliert. In den späten 90er-Jahren von Dr. Kuiken aus Chicago mitentwickelt und von internationalen Gruppen übernommen wurde die sogenannte „Targeted Muscle Reinnervation“ (TMR) bei Menschen nach Amputationen des Oberarms oder einer Schulterexartikulation eingeführt (Kuiken et al 1995, Kuiken et al 2004).

Die TMR ist eine Operationsmethode, bei der intakte Armnerven, die ursprünglich beispielsweise für Finger-, Hand- oder Ellenbogenbewegungen der amputierten Gliedmaße zuständig waren, in segmentierte Muskelanteile des restlichen Stumpfes oder der Brust verlegt werden. Nachdem Nutzer*innen gelernt haben, diese Muskelanteile willkürlich und selektiv anzusteuern, können die elektrischen Muskelsignale mittels eines Mehrelektrodensystems abgegriffen werden, um eine direkte Ansteuerung der prothetischen Freiheitsgrade umzusetzen. Ergänzt werden kann dieses Prinzip auch von technischer Seite. Mittels Musterkennungsverfahren (engl. Pattern Recognition) können die Muskelaktivitätsmuster klassifiziert und in Steuersignale übersetzt werden. Unterschiedliche Muster können so zuverlässiger unterschiedlichen Steuerungsmechanismen zugeordnet werden, die Trainingszeit für das Erlernen der Steuerung sinkt. Bei deutlich gestiegener Intuitivität wird die Konzentrationsbelastung der Patienten*Innen deutlich reduziert, da keine Ersatzstrategien zur sequentiellen Umschaltung zwischen Komponenten (z. B. elektrischer Hand oder Ellenbogen) benötigt werden. Eine direkte und simultane Steuerung von mehreren Freiheitsgraden ist so möglich.

Dieses Beispiel zeigt, dass eine optimale Hilfsmittelversorgung gerade mit hochtechnologischen Lösungen ein interdisziplinäres Team bestehend aus Technikern, Ingenieuren, Therapeuten und chirurgischen sowie konservativen Medizinern voraussetzt.

TECHNISCHE HILFSMITTEL FÜR DIE FUNKTIONSORIENTIERTE THERAPIE VON NEUROLOGISCHEN PATIENTEN

Zur Kompensation von lähmungsbedingten Funktionsausfällen nach Schädigungen des Nervensystems z. B. durch Schlaganfall, Rückenmarksläsionen oder bei Multipler Sklerose sind über die letzten Jahre einige neuartige verfügbar. Ein Beispiel sind Systeme zur Funktionellen Elektrostimulation (FES), bei denen über äußerlich eingebrachte elektrische Impulse gelähmte Muskulatur aktiviert und für einen Funktionsausführung genutzt werden kann. Anwendungsbeispiele sind die Stimulation der Fußhebemuskeln zur Kompensation eines Fallfußes nach Schlaganfall oder die Aktivierung von Unterarm- und Handmuskeln zur Wiederherstellung einer einfachen Greiffunktion bei Menschen mit einer hohen Querschnittlähmung (Rupp 2021).

Durch Fortschritte in den Bereichen Sensorik, Batterie- und Antriebstechnologie sowie Mikroprozessortechnologie sind inzwischen eine Reihe von aktiven Orthesen für die unteren Extremitäten verfügbar, welche von aktiv gedämpften Oberschenkelorthesen bis hin zu sogenannten Exoskeletten mit angetriebenen Hüft- und Kniegelenken reichen. Mit letzteren können selbst Menschen mit vollständigem Verlust der Beinfunktion Schritte ausführen. Allerdings steckt aus Nutzersicht die Tücke im Detail: So sind aktuelle Exoskelette aufgrund der mangelnden Eigenstabilität nur zusammen mit einem Gehbock oder Unterarmstützen verwendbar, was die Verwendung der Arme stark einschränkt (Abb. 4). Hinzu kommt eine komplizierte Steuerung, Schwierigkeiten beim selbständigen An- und Ablegen sowie eine begrenzte Reichweite, so dass es wie bei anderen High-Tech Hilfsmitteln noch ein weiter Weg ist, bis Exoskelette einen Rollstuhl vollständig überflüssig machen könnten und eine reelle Alltagstauglichkeit außerhalb eines
Therapiesettings erreichen.

Nun hat sich über die letzten Jahrzehnte die Erkenntnis durchgesetzt, dass mittels intensivem funktionsorientiertem Training Umorganisationsvorgänge im Nervensystem (Neuroplastizität) in Gang gesetzt und damit dauerhafte Funktionsverbesserungen erreicht werden können. Dies hat zur Einführung von robotischen, laufbandgestützten Trainingssystemen geführt, mit denen Betroffene in einer sicheren Umgebung viele Wiederholungen von Schrittbewegungen ausführen können. Ein besonderer Fokus des Trainings liegt in der Darbietung von Echtzeit-Informationen über die Qualität der Bewegungsausführung z. B. über spielerische Komponenten, um den Prozess des Bewegungslernen bei den auch in ihrer Sensibilität eingeschränkten Betroffenen zu verbessern (Rupp 2022).

Allerdings stehen diese Großgeräte nur in speziellen Kliniken und Zentren zur Verfügung, so dass die Qualität und die Quantität von funktionsspezifischen Therapien im ambulanten Bereich stark abnehmen. Exoskelette haben hier das Potenzial, die in der Klinik erreichten Fähigkeiten im häuslichen Umfeld durch die Betroffenen selbst weiter ausbauen zu können.

„Neben der wichtigen Risikoabwägung sind so auch Kosten-Nutzen-Analysen für die individuelle Indikationsstellung eines High-Tech Hilfsmittels wichtig.“

HIGH-TECH SYSTEME AUF DEM PRÜFSTAND

Gerade im Hinblick auf eine adäquate Ressourcennutzung, aber auch bei Beachtung aktueller regulatorischer und rechtlicher Anforderung erhält die Evaluation von Hilfsmitteln im Hinblick auf einen Patientennutzen eine immer größere Relevanz. Dies nicht zuletzt auch vor dem Hintergrund, dass einige der oben genannten High-Tech Systeme mit chirurgischen Interventionen einhergehen. Neben der wichtigen Risikoabwägung sind so auch Kosten-Nutzen-Analysen für die individuelle Indikationsstellung eines High-Tech Hilfsmittels wichtig. Hier liegt, je nach
Versorgungsbereich eine Stärke der modernen instrumentellen Bewegungsanalyse. Sie erlaubt es, nicht nur augenscheinliche Veränderungen des Gangbilds zu quantifizieren, sondern sie ermöglicht auch die zahlenmäßige Erfassung von nicht sichtbaren Kräften, Drehmomenten und Leistungsumsätzen. Damit wird nicht nur sichtbar gemacht, wie jemand sich bewegt, sondern auch „was“ ihn oder sie aus biomechanischer Sicht antreibt und wie sich die Lasten einzelner Strukturen in Abhängig vom Einsatz des Hilfsmittels darstellen (Abb. 6).

Diese Erkenntnisse und Prinzipien werden jedoch nicht nur als Diagnosewerkzeug in der Planung und Analyse von Versorgungen verwendet, sie finden auch ihren Weg in die Komponentenentwicklung hinein. So sind beispielsweise biomechanische Gangparameter in modernen Prothesenpassteilen hinterlegt. Bewegungs- und Lastzustände werden heutzutage im Labor ermittelt und als physikalische Größe in die Algorithmen der modernen Prothesenkomponenten implementiert, die wiederum mittels angepasster Messtechnik so Soll-/Ist-Zustände abgleichen können. Ziele sind sogenannte Smarte Orthesen oder Prothesen – also Hilfsmittel, die bis zu einem gewissen Grad „mitdenken“ und so vor allem die Sicherheit und die damit assoziierte Mobilität verbessern.

In modernen Orthesen und Prothesen implementierte Messtechnik kann zudem mit einer digitalen Gesundheitsanwendung verbunden werden, die z. B. im Rahmen einer postoperativen Therapie zur Visualisierung von Trainingsmethoden und für zielgerichtete Trainingsanweisungen genutzt werden kann. Die Kombination aus einer derart „intelligenten“ Orthese und der zugehörigen Anwendung kann zu einem verbesserten Rehabilitationsergebnis beitragen und den Heimtrainingsaspekt stützen. Dies zeigt, dass die Grenzen zwischen Alltagshilfsmittel und Trainings- bzw. Therapiegerät zum Teil fließend sind.

HOCHTECHNOLOGIE ALS MOTOR EINER VERBESSERTEN PATIENTENVERSORGUNG

Der technologische Fortschritt ist in der Technischen Orthopädie omnipräsent. Beginnend mit neuen Materialen, über innovative Fertigungsverfahren und digitale Prozessketten bis hin zu komplexen mechatronischen und neuroelektronischen Systemen, die zum Teil mit neuen Operationsverfahren einhergehen, stehen der Orthopädietechnik bereits heute erweiterte Möglichkeiten in der Versorgung zur Verfügung.

Inwieweit diese neuartigen Möglichkeiten langfristig zu einer verbesserten Patientenzufriedenheit und Lebensqualität führen, müssen zukünftige Studien auch unter ökonomischen Gesichtspunkten zeigen. Ein Blick auf die Veränderungen in der Technischen Orthopädie während der letzten Jahrzehnte unterstreicht die wichtige Bedeutung von intensiver Forschung, ohne die heute selbstverständliche Methoden und Produkte niemals hätten eingesetzt werden können

Literatur auf Anfrage bei der Redaktion presse@bvou.net 

Aufgrund der steigenden Lebenserwartung und dem damit einhergehenden demographischen Wandel wird der Bedarf an Rehabilitations-Behandlungen in absehbarer Zukunft stark ansteigen. Ein Beispiel für diesen Trend ist die physiotherapeutische Behandlung nach Erhalt einer Knie-Totalendoprothese (Knie-TEP). So gehen Modellrechnungen basierend auf dem Bevölkerungswachstum und der bisherigen Prävalenz von Knie-TEPs davon aus, dass die Anzahl an durchgeführten Eingriffen in einkommensstarken Ländern wie Deutschland weiter zunehmen wird. Weiterhin stoßen traditionelle Rehabilitationsverfahren, gerade in strukturschwachen Regionen, schon heute an ihre Grenzen. Deutlich zu sehen war das während den Hochphasen der aktuellen Covid-19-Pandemie, als der Kontakt zwischen Therapeut*in und Patient*in  lächendeckend eingeschränkt war. Eine erhöhte Nachfrage nach neuartigen Reha-Angeboten ist die logische Konsequenz. Innovative Konzepte sind daher dringend notwendig, um die daraus resultierenden technischen, sozialen und ökonomischen Herausforderungen zu bewältigen.

In einem idealen Szenario kommen mehrere Faktoren zusammen: Einerseits sollte natürlich der Fokus auf den zu behandelnden Personen liegen. Ihnen sollte losgelöst von starren zeitlich und örtlich basierten Vorgaben sowie finanziellen Zwängen die optimale Versorgung geboten werden. Dies gilt insbesondere auch für Menschen in strukturschwachen Regionen. Dabei wäre eine Rehabilitation, die sich am individuellen Rehabilitationsfortschritt orientiert, wünschenswert. Gleichzeitig ist die Belastung für das medizinische Personal so gering wie möglich zu halten. Das lässt sich z.B. dadurch erreichen, dass die Übungen größtenteils selbstständig ausgeführt werden und dem/der Therapeut*in nur noch relevante Ergebnisse zur Verfügung gestellt werden. Diese Anforderungen werden dadurch ergänzt, dass die Kosten der Behandlung so gering wie möglich sind, um die finanzielle Belastung für das Gesundheitssystem auf ein Minimum zu beschränken. Um dieser Liste an teilweise widersprüchlichen Anforderungen gerecht zu werden, sind neuartige Rehabilitationsverfahren notwendig.

Die Unterstützung der Rehabilitation durch technische Hilfsmittel verspricht dabei ein vielversprechender Ansatz zu sein. Gerade die aktuellen technologischen Fortschritte in den Bereichen Sensorik, virtuelle Menschmodellierung und KI-basierter Algorithmik ermöglichen neuartige Ansätze.

Moderne Motion Capture Systeme ermöglichen die Aufnahme von Bewegungen, ohne die Notwendigkeit reflektierende Marker an der Testperson zu befestigen (Abb. 1a und b). Teils arbeiten die Systeme mit Sensoren, die sich einfacher befestigen und wieder abnehmen lassen. Darüber hinaus gibt es auch vermehrt kamerabasierte Systeme, die ohne jegliche Art von Sensoren oder Markern auskommen. Die einzige Voraussetzung dabei ist, dass sich die Testpersonen im Aufnahmebereich der Kameras, dem sogenannten Messvolumen, befinden. Damit ist es möglich, in sehr kurzer Zeit verschiedene Bewegungen einer großen Anzahl an Personen aufzunehmen. Das heißt, es können ohne nennenswerten Aufwand sehr große Datenmengen von vielen Personen erhoben werden. Weiterhin ist wenig technisches Know-how notwendig, um diese Systeme zu bedienen und damit Aufnahmen durchzuführen. Es muss also kein speziell geschultes Personal vor Ort sein. Somit ermöglicht sich der Einsatz solcher Systeme auch außerhalb von Forschungseinrichtungen beispielweise in Arztpraxen, Krankenhäusern oder anderweitigen Gesundheitseinrichtungen. Die Genauigkeit dieser markerlosen Systeme ist zwar etwas geringer im Vergleich zum Laborstandard, doch für viele biomechanische Fragestellungen sind die erzielten Genauigkeiten ausreichend und der bereits erwähnte verringerte Aufwand rechtfertigt den Einsatz dieser Systeme.

Moderne virtuelle Modelle des menschlichen Bewegungsapparats sind das zweite Standbein dieser Art von Verfahren zur Unterstützung der Rehabilitation (Abb. 1c). Diese teils sehr komplexen Modelle haben in den letzten Jahren einen sehr hohen Detailierungsgrad erreicht und werden in vielen Grundlagenforschungsprojekten
angewendet. Die Modelle ermöglichen es, von der aufgezeichneten Bewegung auf die internen Belastungen zu schließen. Aus der reinen Betrachtung der Bewegung wird somit auch eine Betrachtung der dabei wirkenden Kräfte. Eine Vielzahl an weiteren Parametern, die dem bloßen Auge  verborgen sind, können dadurch nun zusätzlich zur Bewertung von Bewegungen und Übungen herangezogen werden. Dazu zählen unter anderem Gelenkreaktionskräfte, Muskelkräfte und Muskelaktivitäten. Damit werden dem/der Therapeut*in eine Vielzahl an Parametern zur individuellen Steuerung der Rehabilitation zur Verfügung gestellt.

Dabei werden jedoch meistens deutlich mehr Daten erzeugt, als für den konkreten Anwendungsfall notwendig sind. In einem letzten Schritt braucht es nun also Algorithmen, die dabei helfen, die Flut an Daten aus den Modellen zu reduzieren und zu interpretieren. Ziel dieser Auswertungen ist es, die großen Datenmengen auf wenige aussagekräftige Parameter herunterzubrechen. Dabei kommen unter anderem auch vermehrt Techniken aus den Bereichen Künstliche Intelligenz und Maschinelles Lernen zur Anwendung. Weiterhin wird daran gearbeitet, die relevanten Größen mit reduzierten Messsystemen zu erfassen. Dazu zählen kleine tragbare Sensoren, die Sensoren in Smartphones und Smartwatches (sogenannten Smart Wearables) oder auch einfach Webcams und Smartphone Kameras. Damit lassen sich die relevanten Parameter jederzeit und ohne großen Aufwand im Alltag erfassen. Durch eine bereits zuvor entwickelte Logik kann dann von den reduzierten Daten direkt auf die relevanten internen biomechanischen Größen geschlossen werden. Die virtuellen Ganzkörpermodelle können in diesem Fall bereits im Vorfeld berechnet werden und die Sensordaten werden im Nachhinein einem Modell zugeordnet. Somit fällt in der Anwendung der Systeme die Berechnungszeit der Modelle weg. Dies ermöglicht eine Bewertung auf Echtzeitbasis. Das erlaubt es dem/der Anwender*in Livefeedback zur Ausführung der Übungen zu geben. Gegebenenfalls kann dann ein Hinweis oder Korrekturvorschlag gegeben werden, falls eine fehlerhafte Ausführung erkannt wird. In Abbildung 2 ist dargestellt, wie das Zusammenspiel aus Sensor und Livefeedback beispielsweise implementiert werden kann.

Im Zusammenspiel erlauben diese Entwicklungen somit die Erfüllung der eingangs aufgestellten Anforderungen. Ausgestattet mit derartigen Systemen, können die Rehabilitationsübungen größtenteils selbstständig von zu Hause aus durchgeführt werden. Durch die dabei stattfindende kontinuierliche Überwachung kann direkt Feedback zur Ausführung der Übungen gegeben werden. Durch die Aufzeichnung der Bewegungen und Auswertung der Daten kann der Verlauf der Rehabilitation individuell abgestimmt werden. Gleichzeitig nehmen die technischen Hilfsmittel dem therapeutischen Fachpersonal viel Arbeit ab, da die wichtigsten Parameter zur Bewertung der Rehabilitation bereits in aufbereiteter Form zur Verfügung gestellt werden. Durch den geringeren zeitlichen Aufwand für Patient*in und Therapeut*in kann zusätzlich ein finanzieller Vorteil im Vergleich zu traditionellen Rehabilitationsverfahren erzielt werden.

Im Labor für Biomechanik an der Ostbayerischen Technischen Hochschule Regensburg wird aktuell an der Entwicklung derartiger Konzepte gearbeitet. Im Rahmen eines durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projektes (Förderkennzeichen: 13GW0558E) wird an der Entwicklung eines digitalen Nachbehandlungssystems nach Kniegelenksersatz mitgewirkt. Das geplante System besteht aus einem kleinen tragbaren Sensor, einer Smartphone-App sowie einer interaktiven Plattform für die Datenauswertung und Kommunikation. Die Vision ist einen individuell angepassten Rehabilitationsprozess zeitlich und räumlich unabhängig von Versorgungseinrichtungen und Personenkontakten zu ermöglichen.

Der am Körper befestigte Sensor soll die Bewegungen des/der Patient*in aufzeichnen. Dies geschieht zum einen während Alltagsbewegungen, z.B. dem Hinauf-/Hinabgehen einer Treppe oder dem Aufstehen von einem Stuhl. Weiterhin soll die Bewegungsaufzeichnung auch während der physiotherapeutischen Übungen, die im Rahmen der Rehabilitation erfolgen, stattfinden. Mittels den virtuellen Ganzkörpermodellen können dabei die im Körper intern auftretenden Kräfte bestimmt werden. Anhand der Bewegungsaufzeichnungen und Kräfte können die motorischen Fähigkeiten der Personen beurteilt werden. Daraus ergibt sich ein individuell angepasster Trainingsplan mit situativ gewählten Übungen, der über die App zur Verfügung gestellt werden kann. Mittels der interaktiven Plattform kann der/die Therapeut*in den Fortschritt überwachen und zu jedem Zeitpunkt in die Behandlung eingreifen.

Die große Stärke dieses und ähnlicher Konzepte liegt auch in ihrer vielfältigen Einsatzmöglichkeit. Die Anwendung in der Rehabilitation nach Erhalt einer Knie-TEP ist nur eines von vielen denkbaren Szenarien. Das grundsätzliche Konzept kann auch auf andere Rehabilitationsszenarien, wie beispielsweise eine Hüft-Endoprothese, übertragen werden. Aber auch Anwendungen in gänzlich anderen Bereichen sind denkbar. So bietet sich in der ergonomischen Bewertung von Arbeitsplätzen ebenfalls ein enormes Potential. Auch hier kann eine Bewertung mittels vieler einfach zu erstellenden Bewegungsaufnahmen und darauf basierenden biomechanischen Berechnungen erfolgen. Somit wird Technologie, die bis vor kurzem nur im Grundlagenforschungsbereich verwendet werden konnte für viele Anwendungsszenarien nutzbar gemacht und es können verschiedenste medizinische, ergonomische und sportwissenschaftliche Fragestellung mit diesen Konzepten bearbeitet werden.

Immer mehr Kliniken in Deutschland modernisieren ihre Operationssäle. Mittlerweile verfügen auch mittlere und kleinere Krankenhäuser über Hightech-Operationsräume und der sogenannte „Hybrid OP“ erweitert den Arbeitsplatz der Chirurgie oftmals um ein robotisches Assistenzsystem. Dazu gehört unter anderem ein computergestütztes Assistenzsystem, welches das Operieren für Chirurgen weniger belastend und damit für Patienten sicherer macht. Wie „Teamarbeit“ mit einem Roboter gelingt, stellt BVOU-Vizepräsident Univ.-Prof. Dr. med. habil. Tobias Renkawitz vor und wirft ein Blick in die technische Zukunft von O&U.

Herr Professor Renkawitz, sie beschäftigen sich seit über 15 Jahren mit computerassistierten Operationsverfahren in der Hüft- und Knieendoprothetik. Wie kann ein Computer beim Einsetzen eines künstlichen Kniegelenks helfen?

Prof. Tobias Renkawitz: Der Einsatz einer Knietotalendoprothese zählt zu den häufigen Eingriffen der orthopädischen Chirurgie. Trotz großer Fortschritte in der Materialtechnik liegt der Anteil an unzufriedenen Patienten weiterhin bei rund 20 %. Dieses Phänomen findet sich mehr oder weniger durchgängig in fast allen westlichen Ländern. Wir kennen mittlerweile eine ganze Reihe von erfolgreichen Operationstechniken, um diese unerfreulich hohe Rate zu senken. Grundvoraussetzung ist dabei allerdings, dass der Operateur diese Technik intraoperativ auch präzise umsetzt. Aus vielen wissenschaftlichen Auswertungen wissen wir, dass sich selbst ein sehr erfahrener Chirurg mit jahrzehntelanger Erfahrung oft täuscht, wenn er sich nur auf sein Augenmaß verlässt. Ein künstliches Kniegelenk sollte aber sehr genau und orientiert an der patientenindividuellen Anatomie positioniert werden. Computerassistierte Operationsverfahren bieten hier eine wertvolle Unterstützung, denn Knochenschnitte und die dreidimensionale Ausrichtung der Knieprothese lassen sich exakt umsetzen. Gleichzeitig erhält der Operateur wichtige Informationen über Weichteilstrukturen wie Bänder und Sehnen und kann damit das künstliche Kniegelenk gut balancieren.

Wo liegt der Unterschied zwischen Navigation und Robotik?

Prof. Renkawitz: Die Robotik ist sozusagen die Weiterentwicklung der Navigation, beide basieren aber auf demselben Grundprinzip, der Stereotaxie. Auf eine strahlenbelastende präoperative Computertomographie oder teure MRT-Aufnahmen kann bei Navigations- und Robotiksystemen der neuesten Generation durch die „bildfreie Technologie“ verzichtet werden. Dabei wird von einer Spezialkamera im Operationssaal Infrarotlicht ausgesendet und von reflektierenden Markerkugeln am Patienten und an Operationswerkzeugen zurückgeworfen. Diese Lichtsignale wandelt, vereinfacht gesagt, ein Computer in ein virtuelles Gelenkmodell um, dass auf großen Monitoren im OP angezeigt wird. Das Operationsteam kann anhand dieses virtuellen Modells zum Beispiel simulieren, wie sich eine bestimmte Orientierung der Prothese auswirkt und danach das Ergebnis live und in Echtzeit kontrollieren. Bei der Navigation befestigt der Operateur, geleitet durch das Navigationssystem, noch konventionelle Sägeschablonen am Knochen und kontrolliert danach das Ergebnis. Bei der Robotik führt eine Roboterarm die Säge selbständig in die gewünschte räumliche Position, Sägeschablonen werden also nicht mehr benötigt und die Sägeführung wird durch den Roboterarm präziser.

An wie vielen Kliniken in Deutschland wird beispielsweise bei Knie-Operationen derzeit ein Robotiksystem eingesetzt?

Prof. Renkawitz: Die Kollegen der Orthopädischen Universitätsklinik in Würzburg haben dazu eine aktuelle Analyse vorgelegt. In den letzten zehn Jahren sind demzufolge rund 0,5 % aller Knie TEP Operationen mit einem Roboter durchgeführt worden. Aufhorchen lässt allerdings der Trend, denn seit 2018 nimmt die Rate an roboterassistierten Knieendoprothese stark zu – jährlich zeigen sich derzeit Wachstumsraten bis zu 80 %. Die absolute Versorgungszahlen sind also noch relativ gering, das Interesse nimmt aber deutlich zu. Einen ähnlichen Trend haben wir damals übrigens auch zu Beginn der Navigationsära gesehen. Die spannende Frage wird also sein, ob sich diese Entwicklung
verfestigt.

„Navigation und Robotik erlauben also
einen viel höheren Grad an Individualisierung
während der Operation.“ Prof. Dr. Tobias Renkawitz

Die steigende Tendenz lässt daraus schließen: Ein Navigationssystem oder Roboter macht eine Operation besser. Wie stehen Sie zu dieser Aussage? Gibt es hierzu Studien?

Prof. Renkawitz: Für die Navigationstechnologie gibt es eine Reihe von wissenschaftlichen Studien, für die Robotik ist die Datenlage naturgemäß noch geringer. Allerdings haben viele dieser Studien gewisse Nachteile, denn das Operationsergebnis wird von sehr vielen Faktoren beeinflusst und man kann deshalb manchmal nicht genau sagen, ob es trotz oder wegen dem Einsatz eines Computers so geworden ist. Darüber hinaus wissen wir, dass das Operationsergebnis und auch die Haltbarkeit eines Knieprothese wesentlich von der Operationstechnik beeinflusst wird. Hier gibt es verschiedene Philosophien wie man ein künstliches Kniegelenk optimalerweise ausrichtet und das wird in vielen Arbeiten leider kaum diskutiert. Wissenschaftlich hochwertige Arbeiten sind deshalb rar, und die Studienlage ist nicht einheitlich. In einer eigenen Arbeit an 350 Patienten konnten wir zeigen, dass zehn Jahre nach einem Kniegelenkersatz mithilfe von Navigationstechnologie mit unserer Operationstechnik 1,9 Prozent der Prothesen gewechselt werden mussten, bei den Freihandimplantaten waren es 6,4 Prozent. Diesen Trend sieht man übrigens auch im australischen Register in einer größeren Kohorte mit über 44.500 navigierten Operationen. Es bleibt eine wichtige Zukunftsaufgabe, mit evidenzbasierten Studien den Nutzen dieser Verfahren zu bewerten. Wir müssen Navigationstechnologie und Robotik deshalb auch innerhalb des deutschen Endoprothesenregisters integrieren.

Für Chirurgen ist der Robotikeinsatz eine Arbeitserleichterung, aber was bringt es für den Patienten?

Prof. Renkawitz: Ich glaube nicht, dass computerassistierte Operationsverfahren automatisch eine Arbeitserleichterung sind. Der Computer ist erst einmal ein Hilfsmittel, und es liegt in der Kunst des Operateurs, die angezeigten Informationen zu bewerten und die richtigen Schlüsse daraus zu ziehen beziehungsweise die Operationstechnik darauf anzupassen. Navigation und Robotik erlauben also einen viel höheren Grad an Individualisierung während der Operation. Dazu braucht es aber gute Ausbildung, Erfahrung, und ein hohes Maß an Spezialisierung. Oder, um es etwas überspitzt auszudrücken: Ein Roboter macht aus einem schlechten Operateur nicht automatisch einen guten.

Patienten denken bei OP-Robotern an eine höhere Präzision und haben die Hoffnung auf ein zuverlässigeres Ergebnis. Lässt sich diese Aussage pauschal mit ja beantworten?

Prof. Renkawitz: Pauschal ganz sicher nicht. Ja, die Genauigkeit liegt bei computerassistierten Systemen deutlich höher als bei der Freihand Methode. Es geht aber vor allem darum, dass wir uns Gedanken über die optimale, patientenindividuelle Operationstechnik machen. Wenn man die falsche Ausrichtung für ein Kunstgelenk wählt, dann kann man das mit dem Roboter natürlich präzise schlecht erreichen – das hilft unseren Patienten aber nicht weiter. Computerassistierte Operationsverfahren sind deshalb wertvolle Hilfsmittel, aber keine Zaubermittel.

Inwiefern sind Roboter auch als Marketing-Werkzeug zu verstehen?

Prof. Renkawitz: Wenn man sich einmal die Entwicklung der Robotik in den USA ansieht, dann darf man das klar konstatieren. Es gibt Auswertungen die zeigen, dass sich durch das Angebot einer robotischen Knieoperation Patientenströme leiten lassen. Mir ist wichtig, dass wir, bei allem Verständnis für den Wettbewerb im Gesundheitssektor, dabei nicht den Fokus verlieren. Nicht das Marketing, sondern unsere Patientinnen und Patienten sollten an erster Stelle stehen. Bei manchen Darstellungen hat man mittlerweile fast den Eindruck, dass eine robotische Operation einer Wellness Behandlung gleichkommt. Hier wünsche ich mir mehr Fingerspitzengefühl und wissenschaftliche Sachlichkeit in der Debatte.

Dem Chirurgen soll die Arbeit erleichtert werden, die Behandlung des Patienten soll sich verbessern. Welchen finanziellen Vorteil hat der Einsatz für das Krankenhaus?

Prof. Renkawitz: Für die Robotik gibt es theoretische Modelle, nach denen sich der Operationsablauf beschleunigen soll, da zum Beispiel die Befestigung von Knochenschablonen entfällt. Aus meiner eigenen Erfahrung ist der Aufwand bei der Verwendung von computerassistierten Operationsverfahren insgesamt höher. Die Navigation selbst war bisher im DRG-System nicht erlössteigernd, für die Robotik gibt es dazu eine aktuelle Diskussion, die noch nicht zu Ende geführt ist. Im Moment kosten computerassistierte Operationsverfahren im Vergleich zum Standardvorgehen das Krankenhaus unter dem Strich mehr Geld.

Kratzt der Einsatz von OP-Robotern in dem hierarchisch organisierten OP-Saal an der Autorität des Chefchirurgen?

Prof. Renkawitz: Nicht Autorität, sondern Patientensicherheit und das Operationsergebnis zählen. Computerassistierte Operationsverfahren machen die Prozedur für das ganze Operationsteam sichtbar und Entscheidungen werden damit transparent, qualitativ nachvollziehbar und reproduzierbar. Nur so kann man heute erfolgreich im OP-Team arbeiten. Richtig eingesetzt sind Navigation und Robotik im übrigen auch hervorragende Instrumente in der chirurgischen Ausbildung.

Wo sehen Sie den Einsatz von OP-Roboter in 10 Jahren?

Prof. Renkawitz: Die Systeme werden sich weiter etablieren. Die Hardware – also der Roboter Arm und die daran befestigten Präzisionsinstrumente werden sich weiter verbessern. Viel wichtiger ist allerdings die Perspektive in der Software, also in den Berechnungsalgorithmen, die dem Chirurgen dann bei der Platzierung des Kniegelenkes helfen. Die patientenindividuelle Kinematik könnte beispielsweise zukünftig mit wissenschaftlich basierten Optimierungsalgorithmen auf Basis künstlicher Intelligenz kombiniert werden. Es geht also darum, operative Erfolgsstrategien intraoperativ und in Echtzeit umzusetzen. Am Ende entscheidet der Patientennutzen – gerade deshalb brauchen wir in Orthopädie und Unfallchirurgie auch weiterhin eine starke Expertise in der evidenzbasierten Medizin.

Herr Professor Renkawitz, vielen Dank für das Gespräch!
Das Interview führte Janosch Kuno.

Die Künstliche Intelligenz (KI) ist eines der populärsten Themen der Gegenwart. Der Nutzen der KI wird in verschiedensten Fachbereichen diskutiert. Gerade in der Medizin stellt KI ein höchst relevantes Thema für die Zukunft dar.

KI wird heutzutage mehrheitlich als Sammelbegriff für eine Vielzahl innovativer Technologien verwendet. Grundsätzlich beschreibt sie den Versuch, bestimmte menschliche Entscheidungsstrukturen nachzubilden. Maschinen und Computerprogramme mit Künstlicher Intelligenz enthalten Algorithmen, mit denen sie von selbst lernen und ihr Verhalten ohne menschliches Zutun anpassen können. In der Medizin entstehen dadurch völlig neue Behandlungsoptionen: Von Apps für die Früherkennung von Krankheiten bis hin zu personalisierten Therapien. Auch in der Orthopädie und Unfallchirurgie ist KI keine Fiktion mehr: Dieser Beitrag beleuchtet KI im Kontext der Orthopädie und Unfallchirurgie.

Obwohl die mathematischen Grundlagen in den 1950er-Jahren durch Prof. John McCarthy entwickelt wurden, konnte eine breitere Verwendung von KI in der medizinischen Forschung erst mit dem Zeitalter der Digitalisierung erreicht werden. Die technischen Möglichkeiten, große Datenmengen mit geringem Kostenaufwand zu speichern und mit starken Rechenkapazitäten zu verarbeiten, bilden das Fundament der Implementierung von KI für eine medizinische Nutzung.

Es stellt sich grundsätzlich die Frage, welche Bereiche in der Orthopädie und Unfallchirurgie von Anwendungen der KI zu humaner Intelligenz profitieren können. Insbesondere Bildanwendung eignen sich hervorragend für Anwendungen aus dem Bereich der KI, da Röntgenbilder, CT und MRT eine hohe Informationsdichte besitzen, die auch komplexere Algorithmen zulässt. Dementsprechend haben sich die Publikationen zur Auswertung radiologischer Daten mittels KI seit 2010 verzehnfacht.

Neben der Auswertung radiologischer Daten besteht allerdings für die Orthopädie und Unfallchirurgie noch Aufholbedarf. Insbesondere die Auswertung klinischer Daten in der Orthopädie und Unfallchirurgie wurde bisher nicht ausreichend untersucht. Dabei bieten sich solche KI-Anwendungen, die eine Vielzahl von Informationen verarbeiten und auswerten können, gerade in klinischen Entscheidungsprozessen an: Orthopäden müssen auf der Basis der Anamnese, Vorgeschichte, Voroperationen, klinischer Untersuchung, Bildgebung und vielem mehr exakte Diagnosen stellen, mögliche Therapieoptionen ableiten und schließlich die beste und maßgeschneiderte Option für den Patienten empfehlen. Eine Maschine kann eine solche Vielzahl an Daten umfänglicher und genauer verarbeiten. KI wird daher eine wesentliche Rolle spielen solch eine individuelle Behandlung oder Precision Medicine zukünftig in der klinischen Realität umsetzbar zu machen. Somit ergeben sich verschiedene Einsatzgebiete für KI-basierte Assistenzsysteme (Decision Support System).

KÜNSTLICHE INTELLIGENZ IN DER ORTHOPÄDIE

Die Digitalisierung ist nicht mehr aus der Medizin wegzudenken,  jedoch stehen Orthopädie und Unfallchirurgie im Gegensatz zu anderen Fachdisziplinen noch am Anfang neuer Technologien. Dies gilt auch für KI. Obwohl die Potenziale und damit Forschungen auch im Bereich der Orthopädie und Unfallchirurgie weitreichend sind, gibt es derzeit nur wenige tatsächliche Anwendungsbereiche von KI außerhalb der radiologischen und pathologischen Bildgebung.

Der Einsatz von KI ermöglicht es, die Bildgebung prä-, intra- und postoperativ hinsichtlich Genauigkeit, Sicherheit und Geschwindigkeit zu optimieren. In diesem Kontext finden die derzeit verfügbaren Algorithmen beispielsweise in der Detektion von Frakturen und in der Längen- und Winkelbestimmung bei konventionellen Röntgenaufnahmen Anwendung. Darüber hinaus sind aktuelle KI-Lösungen ebenfalls in der Lage, Arthrosen und Implantate zu erkennen. Die Erkennung von Implantaten ist beispielsweise mithilfe des als Smartphone-Applikation verfügbaren “Implantate Identifier” möglich, welcher auf Basis von Röntgen Bildern aufgenommen über die Smartphone-Kamera eine sofortige Identifikation gängiger Hüften-, Schulter, Knie-, Ellenbogen-, Knöchel- und Wirbelsäulenimplantate ermöglicht. Ein weiteres Beispiel ist der Einsatz von KI-gestützten Segmentierungsalgorithmen, wodurch Gewebetypen in Schnittbildern unterschieden werden können.

„Damit KI langfristig Einzug in die Orthopädie und Unfallchirurgie findet, müssen strukturierte Datengrundlagen geschaffen werden um auch valide Ergebnisse zu ermöglichen.“

Dabei soll KI keineswegs den Orthopäden/Unfallchirurgen ersetzen. Die alleinige Entscheidungsgewalt durch den Computer ist weder gewollt noch absehbar. Es zeigt sich vielmehr ein Nutzen solcher KI-Anwendungen in der Ergänzung des Arztes. Somit kreiert man ein Zusammenspiel zwischen ärztlicher Expertise, Datenverarbeitung durch die KI und wiederum Kontrolle durch den Arzt. So konnte beispielsweise in einer Studie zu distalen Radiusfrakturen gezeigt werden, dass die supportive KI-Nutzung bei der Bildinterpretation die Fehlinterpretationsrate der befundenden Ärzte um ca. 47% senkte. In diesem Zusammenhang ist die ausschlaggebende Rolle der Datengrundlage zu nennen, auf dessen Basis die KI programmiert ist. Die KI-Anwendung ist nur so gut, wie die Daten mit der sie arbeitet. Es konnte bereits gezeigt werden, dass der gleiche Algorithmus mit unterschiedlichen Registerdaten vollkommen verschiedene Ergebnisse erzeugen kann. Der Orthopäde oder Unfallchirurg muss daher in der Lage sein, diese Ergebnisse einzuordnen und mit der eigenen klinischen Expertise vereinbar zu machen. Eine interdisziplinäre Zusammenarbeit mit Datenwissenschaftlern wird daher unersetzlich um das Potential von KI-Anwendungen nutzen zu können.

Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die KI-basierte Analyse von Daten zur Mustererkennung. Die Vorhersage von unerwünschten Ereignissen durch die Anwendung von Machine Learning Applikationen auf der Basis umfänglicher Datenbanken wird die Medizin verändern und hat sich in der orthopädischen Forschung bereits als vielversprechend erwiesen. So konnten wir bereits in eigenen Arbeiten darlegen, dass die Verwendung spezifischer Daten zur Endoprothetik aus dem Endoprothesenregister und dem Endocert mittels Machine Learning die Vorhersage von Komplikationen und irregulärer OP-Dauer ermöglicht. Im Gegensatz zu klassischen klinischen Studien, in welchen lediglich ausgewählte Hypothesen getestet werden, können KI-gestützte Analysestrategien verschiedene Datentypen kombinieren und wesentlich flexibler auf eine Vielzahl multimodaler Daten reagieren. So können solche Anwendungen z. B. klinische Informationen mit Bilddaten gemeinsam auswerten. Dadurch können Zusammenhänge in manchen Gebieten sogar besser erkannt werden als durch das alleinige ärztliche Handeln. So konnten wir z. B. darstellen, dass die Verarbeitung von Bilddaten mit klinischen Informationen zu einer hochakkuraten Erkennung von Metastasen durch eine KI-Anwendung möglich ist. Ergänzend zum Einsatz bei der Bildgebung und der Datenanalyse wird KI zunehmend auch in Form von Operationsrobotern in der Gelenkchirurgie oder bei der Konzeption individualisierter Implantate eingesetzt.

Zum jetzigen Zeitpunkt ist leider noch weitgehend unklar, inwieweit solche Decision-Support-Systeme bei Hausärzten, niedergelassenen Orthopäden und Unfallchirurgen oder in Kliniken eingesetzt werden können. Perspektivisch könnten sie in der Orthopädie und Unfallchirurgie bei seltenen Erkrankungen oder bei häufigen, aber okkulten Pathologien, wie der Detektion chronischer Gelenkinstabilitäten, verwendet werden. Abseits der Bildanwendungen sind solche Systeme jedoch noch nicht für die klinische Nutzung verfügbar.

WAS KÖNNTE DARAUS ENTSTEHEN?

Damit KI langfristig Einzug in die Orthopädie und Unfallchirurgie findet, müssen strukturierte Datengrundlagen geschaffen werden um auch valide Ergebnisse zu ermöglichen. Das Klinikum Rechts der Isar München ist seit Jahren führend in der Forschung zum Thema Künstliche Intelligenz. Dabei wird versucht die wissenschaftlichen Erkenntnisse in den klinischen Alltag zu integrieren. So wird z. B. eine hochspezifische Datenbank zu periprothetischen Infektionen erstellt, die die Basis für KI-Anwendungen bildet. Anhand der multimodalen klinischen Daten (u. a. Infektboard-beschluss, Bildgebung, Mikrobiologie, Pathologie) soll ein Algorithmus als Decision-Support-System genutzt werden und z. B. Fragen beantworten wie: Wie hoch ist das Risiko, dass ein Implantatwechsel scheitert unter Berücksichtigung individueller Risikofaktoren? Erste Ergebnisse der diesbezüglichen KI-Anwendungen sind noch 2023 zu erwarten.

Neben solchen sehr speziellen Anwendungen an einer Universitätsklinik, werden im ambulanten Bereich Wearables, also mobile kleine Computer die am Körper getragen werden (z. B. eine Smartwatch), eine wichtige Rolle einnehmen. Mithilfe solcher Wearables können umfassende Datenmengen wie Bewegungsmuster aufgenommen werden, die gerade in der Orthopädie und Unfallchirurgie wertvoll sind. In einem Forschungsprojekt an unserem Standort konnte bereits gezeigt werden, dass die Verwendung der Daten der handelsüblichen Gesundheitsapplikationen auf dem Smartphone ausreichend sind um Aussagen zu treffen über das Laufmuster bis hin zur Identifikation der Person selbst. Die Vorhersage von unerwünschten Ereignissen oder die Erstellung von Prognosen auf der Basis solcher Wearable-Daten ist daher bereits in naher Zukunft vorstellbar.

FAZIT

Zusammenfassend gilt, dass der Einsatz von KI für die Orthopädie und Unfallchirurgie in Zukunft von nicht zu vernachlässigender Bedeutung sein wird und in diversen Bereichen eingesetzt werden kann. Zum Beispiel kann bei der Analyse von Symptomen, radiologischen Bildern, klinischen Datensätzen, der Verwendung in Klinik und im Operationssaal sowie für die Aus- und Weiterbildung die KI ein großes Hilfsmittel darstellen. Die Chancen für Patienten, Ärzteschaft und alle anderen Leistungserbringer im Gesundheitssystem, Kostenträger und auch für die Gesundheitspolitik sind dabei enorm. Im Vordergrund steht allseits eine optimierte und individualisierte Patientenversorgung (Precision Medicine). Ein großer Bedarf besteht insbesondere für KI-Anwendungen, die die klinische Expertise durch Vorhersagemodelle unterstützen.

Trotz vielfältiger Möglichkeiten und Vorteile sind derzeit kaum KI-basierte Anwendung in der klinischen Routine zu finden. Limitationen resultieren aktuell insbesondere aus der mangelnden Verfügbarkeit auswertbarer Gesundheitsdaten, welche die Grundlage für den Einsatz von KI darstellen. Um KI in den klinischen Orthopädie-Alltag integrieren zu können, sollte zukünftig also ein Fokus auf die Schaffung einer zielgerichteten Datenstruktur gelegt werden. Um das Potenzial von KI voll ausschöpfen zu können, sind umfassende klinische Datenmengen notwendig, die nur in einem multizentrischen Ansatz umzusetzen sind. Daher müssen Strukturen geschaffen werden, die diese Daten aufnehmen, aufarbeiten und zugänglich machen. Insbesondere in diesem Zusammenhang müssen auch ökonomischen, rechtlichen, politischen und ethischen Aspekten Rechnung getragen und Vertrauen geschaffen werden. Zukünftig sollten auf nationaler und internationaler Ebene kooperativ wissenschaftliche und wirtschaftliche Anstrengungen unternommen werden, um neue Anwendungen zu erforschen und in den Markt einzuführen.

Exoskelette sind tragbare (robotische) Systeme, die die Bewegungen des menschlichen Körpers physisch unterstützen. Eine der möglichen Anwendung von Exoskeletten ist die Unterstützung und physische Entlastung von Beschäftigten bei körperlichen Tätigkeiten, zum Beispiel, in der Montage. Diese Technologie ist allerdings noch recht jung, und es fehlen derzeit Langzeitstudien, welche mögliche Auswirkungen solcher Exoskelette in Bezug auf Gesundheit, Produktivität und Wirtschaftlichkeit im Detail aufzeigen. Dieser kurze Beitrag beschreibt den Stand der Technik und die aktuelle Forschung über die Wirksamkeit von Exoskeletten in Hinblick auf Gesundheit und Produktivität im  industriellen Kontext.

Körperlich anstrengende Arbeit ist auch in der Europäischen Union immer noch weit verbreitet.1 Ein großer Teil der Beschäftigten ist mehr als ein Viertel der Arbeitszeit „ermüdenden oder schmerzhaften Positionen”, dem „Tragen oder Bewegen schwerer Lasten” und „sich wiederholenden Hand- oder Armbewegungen” ausgesetzt.2 Dies kann zu einem erhöhten Risiko von arbeitsbedingten Muskel-Skelett-Erkrankungen (MSE) führen.

Die Schulter ist dabei eine der Körperregionen, die besonders anfällig für arbeitsbedingte MSE ist. Mehr als 42 % der Arbeitnehmer in der EU leiden jedes Jahr unter Schulterschmerzen. 3 Ein gut dokumentierter Risikofaktor für die Entwicklung von MSE in der Schulter sind Arbeitsbedingungen, bei denen die Arme über längere Zeit angehoben werden.4 Insbesondere das Arbeiten mit den Händen über der Schulterhöhe für mehr als eine Stunde pro Tag wurde mit dem Auftreten des subakromialen Impingement-Syndroms (SIS), einem Riss in einem der Rotatorenmanschettenmuskeln, sowie einer supraskapulären Nervenkompression in Verbindung gebracht.5 Ein weiterer Körperbereich, der ebenso häufig betroffen ist, ist der untere Rücken: Schmerzen im unteren Rücken (Low back Pain – LBP) betreffen mehr als 40 % der arbeitenden Bevölkerung in der EU.6 Hohe Beanspruchung der Lendenwirbelsäule durch mechanische Belastung wurden als ein Hauptrisikofaktor für die Entwicklung von LBP identifiziert,7 was sich u. a. auch in der NIOSH-Norm für das Heben von Lasten widerspiegelt.8 Exoskeletten im industriellen Kontext (IEs) werden mit dem Ziel entwickelt, die Arbeit weniger belastend zu machen, indem sie beispielsweise die Beanspruchung der Rückenmuskeln und Wirbelsäule beim Heben oder die der Schultermuskeln bei Überkopfarbeiten reduzieren.

IEs können auch als persönliche, tragbare Assistenzsysteme verstanden werden, welche die körperliche Beanspruchung von Beschäftigten bei bestimmten Tätigkeiten idealerweise in bestimmten Körperregionen verringern, indem sie synergetisch mit ihren Benutzern agieren.9 Ihre praktische Anwendung und damit auch ihr Design hängen stark von Ihrem Einsatzzweck ab und muss entsprechenden Vorgaben genügen.3 Gegenwärtig sind die meisten IEs entweder zur Unterstützung bestimmter Körperregionen oder zur Erweiterung bestimmter menschlicher Fähigkeiten konzipiert. Die Mehrzahl der Systeme wurden entwickelt, um die physische Belastung der oberen Gliedmaßen und der Lendenwirbelsäule zu verringern, während die Unterstützung anderer Körperteile, wie z. B. der Knie- oder Handgelenke, bisher weniger erforscht wurde.31 Erste größere  Studien erheben bereits subjektive Beanspruchung,17, 18 kardiovaskuläre Beanspruchung,19 Wirkung auf die Arbeitsqualität20 und messbare biomechanische Faktoren.21

TECHNOLOGISCHE ANSÄTZE UND LÖSUNGEN

Die Entwicklung von IEs stellt eine große Herausforderung dar. Auf der einen Seite werden hohe Anforderungen an die Hardware gestellt. In Hinblick auf die Aktuierung, zum Beispiel, gehen diese Anforderungen oft an die Grenzen des technisch machbaren. Auf der anderen Seite müssen IEs synergetisch mit dem menschliche Körper interagieren, und es ist schwierig, vorauszusagen, wie sich ein System und seine Konfiguration auf die gemeinsame Bewegung, sowie auf die Muskelaktivierung und andere physiologische Charakteristiken der Nutzenden auswirken. Zu diesem Zweck werden zum Beispiel detaillierte biomechanische Simulationen genutzt.10, 22–23 Eine Schwierigkeit ist es dabei, muskuloskelettale Modelle zu generieren, welche unter Berücksichtigung der hohen Variabilität der Anthropometrie akzeptable Ergebnisse liefern.26 In-vivo-Messungen haben demgegenüber den Nachteil, dass sie sich nur durchführen lassen können, wenn das System bereits verfügbar ist. Hier liegt der Schwerpunkt auf der Evaluation der Bewegung (Kinematik) und der Muskelkräfte, wobei letztere in realen Anwendungen mit verschiedenen Herausforderungen zu messen sind. Auch muss die anthropometrische Vielfalt bei der Konzeption von Exoskeletten entsprechende Berücksichtigung finden.29

Exoskelette lassen sich durch drei Kategorien klassifizieren: Der Bereich der zu unterstützenden Körperregion (ganzer Körper, obere/untere Gliedmaßen, etc.), ihre mechanische Struktur und die Art des Antriebs.

Geräte für die oberen Gliedmaßen werden in der Regel konstruiert, um Tätigkeiten zu unterstützen, bei denen der Arm angehoben wird oder Überkopfarbeiten durchgeführt werden. Systeme welche die unteren Gliedmaßen mit einschließen sind oft für die Unterstützung von Hebeaufgaben und zur Entlastung des Rückens konzipiert.

Für die meisten Anwendungen sind die Systeme aus steifen Materialien gefertigt, mit klar definierten mechanischen Freiheitsgraden. Diese mechanische Struktur übernimmt Kräfte und leitet Sie in andere Körperbereiche ab. Es gibt ebenfalls auch Systeme aus weichen Materialien und Textilien, die hauptsächlich die Muskulatur unterstützen. Diese weisen einen deutlich höheren Tragekomfort auf, können aber in der Regel weniger dazu beitragen, die Gelenke zu entlasten.

Hinsichtlich des Antriebsprinzips lassen sich IEs in drei Kategorien einteilen: aktive, passive oder semiaktive Exoskelette. Aktive Exoskelette verwenden Elektromotoren bzw. pneumatische oder hydraulische Aktuatoren um aktiv Kräfte und Drehmomente zu erzeugen. Die Steuerung und Regelung dieser aktiven Systeme stützt sich auf Sensoren, welche die Bewegung des Exoskelettes erfassen. Diese Sensoren müssen auch die Intention der Nutzenden abschätzen um die Roboterbewegung mit der des Menschen zu synchronisieren. Gerade in dynamischen und variablen Einsatzbereichen können sich aktive Exoskelette leichter an neue Aufgaben anpassen als passive Geräte. Allerdings benötigt es dazu robuste Steuerungsalgorithmen, was derzeit ihren Einsatz in der praktischen Anwendung beschränkt. 12, 24 Passive Exoskelette verwenden statt Motoren Federn oder federähnliche Elemente, um Kräfte zu erzeugen und um Energie in verschiedenen Phasen der menschlichen Bewegung zu speichern und abzugeben.11 Derzeit sind passive Exoskelette technologisch ausgereifter und im Vergleich zu ihren aktiven Pendants stärker verbreitet, da sie keine Aktoren, Batterien oder Elektronik benötigen. Das macht sie zuverlässiger und ggf. sicherer. In der physischen Interaktion mit dem Menschen weisen Sie ein wiederholbares und damit intuitives Verhalten auf. Fehlfunktionen elastischer Elemente sind vergleichsweise selten und führen nie zu einer Überlastung für den Träger. Dies macht es entsprechend einfacher Sicherheitsstandards einzuhalten. Um trotzdem ein adaptives Verhalten zu ermöglichen, haben einige der derzeit verfügbaren passiven Geräte mechanische Kupplungen oder Arretierungen. Dadurch können die Nutzenden die unterstützenden Mechanismen aktivieren oder deaktivieren, zum Beispiel, um eine größere Bewegungsfreiheit zu ermöglichen oder um eine andere Tätigkeit durchzuführen.

Als Kompromiss zwischen der Flexibilität aktiver Systeme und der Sicherheit passiver Geräte existieren semiaktive Exoskelette. Diese verwenden Servomotoren mit geringer Leistung um passive, elastische Mechanismen je nach den Bedürfnissen des Nutzenden vorzuspannen, zu arretieren oder zu lösen. Auch gibt es die Möglichkeit, aktive Motoren durch geregelte Bremsen oder aktive Dämpfer zu ersetzen.

WIRTSCHAFTLICHE EINSATZPOTENTIALE

Arbeitsbedingte MSE sind mit hohen Kosten verbunden, sei es in Form von direkten Entschädigungskosten oder indirekten Kosten aufgrund von Lohn- und Produktionsausfällen, Kosten für die Einstellung und Schulung von zusätzlichem Personal sowie Kosten für die medizinische Versorgung der betroffenen Beschäftigten. Aufgrund dessen haben Unternehmen grundsätzliches Interesse an IEs als ein möglicher Lösungsansatz zur Verringerung der Exposition ihrer Arbeitnehmer gegenüber physischen Risikofaktoren, die MSE verursachen können.

Motiviert durch das mögliche Potenzial zur Verbesserung der Ergonomie von Arbeitsplätzen in ihren Produktionslinien haben insbesondere die Automobilhersteller Pionierarbeit bei der Erforschung des Einsatzes von IEs an Arbeitsplätzen geleistet. In diesem Bereich gibt es trotz des umfassenden Einsatzes von Robotern und Automatisierung in den Produktionslinien weiterhin Anwendungen, bei denen menschliche Arbeit erforderlich ist: die meisten Schweiß-, und Montagearbeiten für die Fahrzeuginnenausstattung erfordern immer noch die körperliche Arbeit von Menschen in den Montagelinien. Diese Arbeiten werden in häufig kurzzyklisch ausgeführt, unter Umständen in einer ungünstigen Körperhaltung.

In jüngster Zeit haben mehrere Automobilhersteller Exoskelette in ihren Fabriken evaluiert und getestet und in einigen Fällen maßgeschneiderte Geräte entwickelt, die ihren spezifischen Anforderungen entsprechen.13 Neben dem Automobilsektor wurde der Einsatz von Exoskeletten auch in mehreren anderen Branchen, wie z. B. in der Logistik,14 im Baugewerbe, in der Landwirtschaft und in der Krankenpflege, vorgeschlagen.

SCHLUSSFOLGERUNGEN

Noch ist der Einsatz von Exoskeletten in der Arbeitswelt begrenzt, was auf mehrere Faktoren zurückzuführen ist:15 Einer davon ist der Mangel an klaren Nachweisen für die Wirksamkeit der Systeme am Arbeitsplatz besonders im Kontext der Langzeitwirkung. Andererseits muss auch die Gesamtwirksamkeit der Systeme in einem spezifischen Anwendungsfall am individuellen Arbeitsplatz in der realen Arbeitsumgebung untersucht werden16 und in Hinblick auf die Reduzierungen von MSE evaluiert werden, wie in der S2k-Leitlinie beschrieben.27 Dabei ist von zentraler Bedeutung, dass die TOP-Maßnahmenhierarchie eingehalten wird. Das heißt vor der Nutzung dieser Systeme sind technische und organisatorische Maßnahmen zur Risikovermeidung soweit möglich zu identifizieren und umzusetzen.28 Die Durchführung von mehr produktspezifischen Validierungsstudien im Feld ermöglicht es Interessenvertretern und Entscheidungsträgern, die Wirksamkeit der Systeme in ihrem spezifischen Arbeitskontext und mit Beschäftigten zu bewerten, was nützliche Einblicke in praktische Fragen im Zusammenhang mit dem Einsatz von Exoskeletten in der täglichen Praxis liefern könnte. Neben der relativen Erkrankungshäufigkeit, können zu den Wirksamkeitsindizes in solchen Feldstudien Erfahrungsindikatoren gehören, die mit Hilfe von Fragebögen und strukturierten Interviews gemessen werden, sowie instrumentelle Parameter, die auf kinematischen, kinetischen und physiologischen kardiovaskulären, pulmonalen und muskulären Messungen basieren.

In Anbetracht der Tatsache, dass sich IEs noch in einem frühen Stadium der Einführung befinden, erfordert die großflächige Einführung dieser Technologie zwangsläufig eine strukturiertere Einbeziehung aller Interessengruppen, wie Beschäftigte, Arbeitsschutz-, Personal- und Produktionsabteilungen. Alle Beteiligten sollten aus ihrer Sicht und unter Berücksichtigung ihrer Interessen über die Kosten, Vorteile und mögliche Risiken von IEs informiert werden. In diesem Zusammenhang ist es wichtig, größere Feldstudien nicht nur im wissenschaftlichen Kontext zu betrachten, sondern auch als Experimente in der Praxis, die es allen Beteiligten ermöglichen, ihr Verständnis weiter zu entwickeln. Es ist daher von entscheidender Bedeutung, dass alle relevanten Stakeholder in die Planung größerer Feldstudien einbezogen werden, um die Auswirkungen der Studien auf die spätere breitere Einführung von Exoskeletten zu maximieren.

Die Einführung von Exoskeletten in großem Maßstab erfordert des Weiteren einen schrittweisen, wissensbasierten Ansatz, der auf einer sorgfältigen  Grundlagenwissenschaftlichen Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Belastung und Beanspruchung27 mit Hilfe von Laborversuchen und biomechanischen Computersimulationen beruht. Darauf aufbauend muss die Biomechanik der Arbeitstätigkeiten, die Benutzerfreundlichkeit, die Akzeptanz und die Benutzererfahrung einbezogen werden. Dies verlangt in Zukunft konsequent die Ergänzung von Laborstudien durch Felduntersuchungen. Kombinierte Grundlagen- und Feldstudien sind von größter Bedeutung, da sie dazu beitragen können, die an spezifischen Arbeitsplätzen gewonnenen Erkenntnisse auf breitere Anwendungsszenarien zu verallgemeinern. Schließlich sollten längerfristige Feldstudien mit dem Hauptziel durchgeführt werden, zu überprüfen, ob IEs das Auftreten bestimmter arbeitsbedingter MSEs verringern können.

Literatur auf Anfrage bei den Autoren.