Individuelle Orthesen
Einleitung
Orthesenbau - wie und warum
Um bei Radiusaplasien den chirurgischen Eingriff zur Positionierung der Hand zu ermöglichen, müssen entweder die „zu kurzen“ Weichteilstrukturen des Arms (die die charakteristische, abgeknickte Handstellung verursachen) gedehnt werden, oder aber der Chirurg muss während des Eingriffs die Elle kürzen. Andernfalls ist die Aufrichtung der Hand nicht möglich.
Unabhängig von der Art des Eingriffs ist es vorteilhaft, wenn die Weichteile (Gewebe, Sehnen, Muskeln im Arm) bereits aufgedehnt wurden und eine passive Bewegung der Hand in Richtung der Neutralposition ermöglichen.
Derzeit empfehlen viele Chirurgen die Verwendung von Nachtlagerungsschienen, um eine erste Aufdehnung zu erreichen, bevor die volle für den Eingriff erforderliche Dehnung mit einem Fixateur externe durchgeführt wird.
Typische Schienen werden aus einem thermoplastischen Kunststoff mit niedrigem Schmelzpunkt gefertigt, der in Wasser auf etwa 60–70°C erhitzt und dann um den ausgestreckten Arm geformt wird. Nach dem Abkühlen behält die Schiene ihre Form bei.
Die Wirksamkeit dieser Schienen ist jedoch begrenzt, da sie lediglich eine bereits erreichbare Handposition fixieren. Mit CAD-modellierten Orthesen, die auf einem 3D-Scan basieren, kann eine deutlich größere Wirkung erzielt werden. So kann die spätere Abhängigkeit von einem Fixateur externe oder aber das Ausmaß der notwendigen Verkürzung der Elle reduziert werden.
Falls noch nicht geschehen, beginne am besten mit dem Lesen unserer Seite zur Weichteildistraktion. Dort erkläre ich, warum wir uns entschieden haben, die Orthesen für unsere Tochter selbst herzustellen, welche Ziele wir hatten und welche Schlüsse wir daraus gezogen haben.
Und bitte nicht vergessen, unseren Haftungsausschluss zu lesen!
Bevor du loslegst…
Der erste Schritt muss immer sein, sich gründlich mit dem Thema vertraut zu machen:
• Arbeite dich in die Anatomie von Unterarm und Handgelenk ein – dazu gehören die Knochen, Muskeln und Sehnen. Im Glossar findest du dazu einige grundlegende Infos.
• Lerne die Fachbegriffe zu den möglichen Bewegungen (z. B. Pronation, Supination, Extension, Flexion), denn diese haben oft unterschiedliche Bezeichnungen. Nur so kannst du auch auf Augenhöhe mit Ärzten und Orthopäden sprechen. Unterschiedliche Verfahren ermöglichen unterschiedliche Bewegungsumfänge.
• Schau dir die gängigen Verfahren und Eingriffe an und informiere dich über ihre Vor- und Nachteile.
1. Schritt: 3D Scan
Herstellung eines 3D-Modells des Unterarms
Wir haben den 3D-Scan der Arme mit einem „Structure Sensor“ (Mark I) von Structure durchgeführt – ein sehr kostengünstiger 3D-Scanner. Für die Nutzung dieses Scanners benötigt man jedoch ein iPad Pro und einen Mac(Book): Das iPad dient als Halterung und Bildschirm während des Scannens und wird außerdem für die Datenübertragung an den Mac benötigt, der die Daten dann in ein Modell umwandelt. Der Hersteller bietet dafür das Programm „Skanect“ an, das in einer kostenlosen Version verfügbar ist, die für viele Fälle ausreicht.
Allerdings war das im Jahr 2020 – heutzutage gibt es vermutlich alternative gute Optionen, insbesondere für diejenigen, die nicht zufällig sowohl ein iPad Pro als auch einen Mac(Book) besitzen. Letztlich ist es entscheidend, einen akkuraten Scan des Unterarms ab dem Ellenbogen und der Hand bis zu den Grundgliedern der Finger zu erhalten.
Wir haben den Scan durchgeführt, während unsere Tochter schlief – dennoch waren mehrere Versuche nötig, da selbst kleinste Bewegungen den Scan unbrauchbar machten. Während das Baby auf einer Matte auf dem Boden lag, zugedeckt mit einer Decke, wurde der Arm nach oben gestreckt – vorsichtig (mit der Hand) an den Fingern gehalten und gezogen / gestreckt – und ein Helfer führte einen 370°-Scan um den ausgestreckten Arm durch. Stelle dich darauf ein, dass du mehrere Versuche brauchst!
Tipp: Ein ausgestreckter Arm bietet einem Scanner nicht viele Referenzpunkte. Daher sollten idealerweise zusätzliche Marker hinzugefügt werden, z. B. Bauklötze, die unten um den Oberarm herum fest platziert werden. Alles nicht so einfach…
2. Schritt: Modellierung
Erstellung eines CAD Modells des Arms mit leicht begradigter Handstellung
Die Modellierung erwies sich als der zeitintensivste Aspekt bei der Herstellung der Orthesen – auch mangels Erfahrung meinerseits. Die kostenlose Software „Blender“ eignet sich gut dafür, und es gibt zahlreiche hilfreiche Tutorials auf YouTube.
Ein weiteres praktisches, kostenloses Tool zur Bearbeitung von Mesh-Körpern, wie z.B. das Zuschneiden der 3D-Scans, das Trennen und Aushöhlen des Körpers, um eine Hülle für den 3D-Druck zu erstellen (damit nicht massiv gedruckt wird), ist Meshmixer.
Der Modellierungsprozess besteht darin, einen Spline „im“ Arm zu platzieren und diesen anschließend um einige Grad anzupassen – intuitiv, in Anlehnung an die typische Form eines entspannten Handgelenks. In welchem Maße das Ergebnis perfekt zum Arm passt, lässt sich nur durch Ausprobieren herausfinden (genau gesagt darf es auch gar nicht „passen“, sondern soll den Arm leicht in die gewünschte „Form“ drücken. Sobald es perfekt passt, muss eine neue Orthese modelliert werden!).
Der Aufwand für die Modellierung kann möglicherweise reduziert werden, indem das Modell für die Orthese der anderen Hand (falls nötig – und falls anatomisch gleich) einfach gespiegelt wird.
Letztendlich basieren alle Varianten der von uns hergestellten Orthesen – 8 Paare über einen Zeitraum von etwa zwei Jahren – auf denselben ursprünglichen Scans. Allerdings war jede Iteration mit ein bis zwei Versuchen verbunden, die nicht perfekt gepasst haben, was insgesamt über 30 fertiggestellte Orthesen bedeutet…
3. Schritt: 3D-Druck
Herstellung des positiv-Modells für den 3D-Drucker
Um eine Orthese im Tiefziehverfahren herzustellen, ist ein digitales Positivmodell erforderlich, also ein physisches Exemplar des im vorherigen Schritt erstellten Modells.
Hierfür eignet sich der 3D-Druck. Es ist ratsam, in einen eigenen 3D-Drucker zu investieren, da das Bestellen der Modelle über Dienstleister auf Dauer teuer wird und für viele Iterationen auch zu langsam ist (manchmal waren drei Versuche an einem Wochenende nötig, bis die Passform gepasst hat).
Ein günstiges Einsteigergerät ist ausreichend, solange es PLA drucken kann und ein ausreichend großes Bauvolumen besitzt – idealerweise können die Positivmodelle stehend gedruckt werden. Andernfalls müsste das Modell auf Stützmaterial zurückgreifen, was Nachbearbeitung erfordert und möglicherweise zu einer weniger glatten Oberfläche führt. Ich habe einen MakerBot Z18 verwendet, den ich allerdings schon vorher hatte.
Die Modelle müssen robust sein – mit mindestens 4 Schichten (Shells) und 25 % Füllung (Infill). Andernfalls besteht die Gefahr, dass sie unter dem Vakuum und der Hitze des thermoplastischen Orthesenmaterials zusammenbrechen.
Die Skalierung der Drucke habe ich letztlich iterativ ermittelt – es lohnt sich, alle Versuche genau zu dokumentieren.
4. Schritt: Tiefziehen
Vacuum Molding Orthoses
Da unsere Orthesen um ein 3D-gedrucktes Modell tiefgezogen und nicht direkt am Arm des Patienten geformt werden, können wir Materialien verwenden, die bei höheren Temperaturen (z.B. 120–135 °C) verarbeitet werden. Diese bieten deutlich bessere Eigenschaften, insbesondere eine weichere Textur. Ich habe das EVA-Material (Ethylenvinylacetat) Streifyflex von Streifeneder verwendet. Es gibt viele Optionen beim Material, es ist jedoch wichtig ein Produkt zu wählen, das für den orthopädischen Einsatz gedacht und dauerhaften Hautkontakt zugelassen ist. Ich würde nur auf renommierte Hersteller zurückgreifen. Ein gutes Video von Streifeneder zu diesem Thema findest du auf YouTube.
Zunächst muss die Form vorbereitet werden. Dazu wird am Ende der im Modell für die Befestigung (siehe Bilder unten) vorgesehenen Bohrung ein Loch gebohrt – etwa 5 mm Durchmesser – das in die Füllung (Infill) führt. So verteilt sich der Unterdruck überall durch den Infill im Modell. Anschließend werden mehrere kleine Löcher (ca. 1 mm Durchmesser) von außen in die konkaven Bereiche des Modells gebohrt, um sicherzustellen, dass das EVA-Material an diesen Stellen Kontakt mit dem Modell hat.
Als Nächstes wird das Modell mit einer Trennschicht versehen, um zu verhindern, dass das EVA-Material daran haftet. Dieses Material haben wir verwendet (in der 3-cm-Variante). Die Trennschicht wird mit Silikonspray eingesprüht – es sei denn, es ist gewünscht, dass diese Trennschicht am EVA-Material haften bleibt und die Orthese später innen polstert. Das hat Vorteile (eine weiche, aber dünne Polsterung), aber auch Nachteile: Sie ist schwer sauber zu halten, die Haftung von Polsterrändern ist eingeschränkt (siehe „Nachbearbeitung“), und die Schicht kann sich mit der Zeit lösen. Wir haben auch dieses Material getestet, um eine dickere Polsterung zu erreichen.
Wenn Haftung gewünscht ist, sollte das EVA-Material im oberen Bereich seines Verarbeitungstemperaturbereichs verarbeitet werden. Dies ist jedoch etwas anspruchsvoller, da das Material dabei sehr dehnbar wird. In jedem Fall muss die Trennschicht überall flach am Modell anliegen. Falls keine Polsterung verwendet wird, sollte das Kind ein dünnes, eng anliegendes Langarmshirt tragen, während es die Orthese trägt. Eine leichte Wolle-Seide-Kombination hat sich hierfür als ideal erwiesen.
Nun kann das vorbereitete Modell auf ein Rohr gesetzt werden, das anschließend in einer Halterung – zum Beispiel in einem Schraubstock – fixiert wird. Am hinteren Ende des Rohrs wird eine Vakuumpumpe angeschlossen. Hierfür muss gegebenenfalls ein Adapter per 3D-Druck hergestellt werden (siehe Bilder). Da ich eine Vakuumpumpe verwendet habe, die keine kleinen Partikel aus der Bohrung des Infills ansaugen darf, habe ich einen „Filter“ – ein Stück Nylonstrumpf – am Ende des Rohrs angebracht und unter dem Schlauchadapter eingeklemmt. Möglicherweise könnte auch ein Staubsauger als Vakuumquelle genutzt werden, wobei ich das nicht ausprobiert habe.
Anschließend wird das EVA-Material auf seine Verarbeitungstemperatur erhitzt. Dafür habe ich einen herkömmlichen Backofen verwendet, da jedoch die meisten Ofenthermostate sehr ungenau sind, habe ich ein 2-Kanal-Thermometer mit zwei K-Typ-Sensoren (UNI-T UT320D für etwa 30 €) gekauft. Einen Sensor habe ich am Backblech befestigt, den anderen frei im Backofen positioniert. Es ist wichtig, ein neues, Teflon-beschichtetes Backblech zum Erwärmen des Materials zu verwenden (und für nichts anderes…). Vor der Nutzung sollte das Backblech leicht mit Silikonspray besprüht werden, um ein Anhaften des Materials zu verhindern. Entscheidend ist, dass die Seite des EVA-Materials, die auf dem Backblech liegt (und somit mit dem Silikonspray in Kontakt kommt), später die Außenseite der Orthese bildet. Andernfalls haften „Klebebereiche“ nicht aneinander, und das Vakuum kann das Material nicht an das Modell ziehen.
Dann wird der Ofen auf die richtige Temperatur erhitzt – in meinem Fall 135 °C. Das Backblech erwärmt sich langsamer als die Luft im Ofen, daher habe ich gewartet, bis das Backblech die Zieltemperatur erreicht hatte, und dann die Lufttemperatur im Ofen durch Öffnen der Tür angepasst. Nun wird das großzügig zugeschnittene EVA-Stück auf das Backblech gelegt und dann gewartet, bis dessen Oberfläche leicht glänzend wird. Die voraussichtlich benötigte Zeit kann dem Datenblatt des Herstellers entnommen oder durch Ausprobieren ermittelt werden. In meinem Fall waren es etwa 90 Sekunden. Achte darauf, dass der Weg zwischen Ofen und vorbereitetem Modell möglichst kurz und das Vakuum bereits angeschaltet ist!
Sobald das Material bereit zur Verarbeitung ist, wird es auf das Modell gelegt (Trennschicht nicht vergessen!) und rundherum abgedichtet, wie im Video zu sehen.
Nachdem das Material abgekühlt ist, kann das Vakuum abgeschaltet und die Orthese vorsichtig vom Modell entfernt werden (indem der Bereich, durch den das Rohr in das Modell eingeführt wurde, mit einem Skalpell ausgeschnitten wird).
Die Herstellung einer Orthese. Leider hat die Vakuumpumpe im Video Vibrationen verursacht. Der weiße Streifen auf der Orthese ist eine Versteifung aus EVA-Material, die bereits während des Erhitzens auf das pinke Material gepresst wurde und sich damit verbunden hat.
Schritt 5: Nachbearbeitung
Nur noch wenige Schritte zur fertigen Orthese
Nach dem Entfernen vom Modell muss der Rohling mit etwas Spülmittel gewaschen werden, um die Rückstände des Silikonsprays zu entfernen. Anschließend sollten alle Kanten entgratet werden. Dafür eignet sich ein Schleifer wie der auf den Bildern gezeigte Dremel. Sehr feine Grate können vorsichtig mit einem Feuerzeug erwärmt und mit den Fingern abgerundet werden. Falls die Form der Orthese leicht vom gewünschten Zustand abweicht, kann sie auch noch vorsichtig mit einer Heißluftpistole angepasst werden.
Ich habe die Kanten anschließend mit Cellona-Gipsrandpolster gepolstert. Eine Orthese darf niemals harte oder scharfe Kanten haben und sollte auch keine Druckstellen auf der Haut verursachen.
Als Nächstes folgt der Verschluss: Auf die Orthese werden kleine Klettverschlüsse (Hakenseite, z.B. Velcro) geklebt – je nach Länge der Orthese sollten 2 bis 3 Verschlüsse pro Seite vorgesehen werden. Vor dem Aufkleben müssen die entsprechenden Stellen gründlich mit Isopropanol entfettet werden. Das Klettband muss fest angedrückt werden (es zählt die Kraft, nicht die Dauer!). Mit der Zeit kann es nötig sein, einige Klett-Patches auszutauschen. Anschließend wird weiches Klettband (beidseitig Schlaufe) auf die passende Länge zugeschnitten.
Achtung! Bevor die Orthese über ein Anprobieren hinaus bzw. über einen längeren Zeitraum getragen wird, muss ein qualifizierter Arzt (z.B. ein Orthopäde) konsultiert werden. Das Tragen einer falsch geformten Orthese kann erheblichen Schaden verursachen. Beim Tragen sollte außerdem darauf geachtet werden, die Orthese niemals so fest anzuziehen, dass die Blutzirkulation beeinträchtigt wird (was zu kalten Fingern führen kann).
Das Ergebnis
Passt perfekt: eine CAD-modellierte Orthese aus EVA
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3D-gedruckte Orthesen
Eine Option für reguläre Schienen
Der direkte 3D-Druck von Orthesen ist eine Option, allerdings ist es schwierig, gleichmäßige und sanfte Korrekturkräfte einzuleiten, ohne Druckstellen zu verursachen. Dazu wäre die Integration eines Federmechanismus notwendig, z.B., wie im Abschnitt unten beschrieben. Dies ist mir jedoch bislang nicht vernünftig gelungen. Wenn lediglich starre Schienen benötigt werden, kann der 3D-Druck eine gute Alternative sein und deutlich schneller zu Ergebnissen führen als das Tiefziehverfahren. Es gibt ausgezeichnete Tutorials auf YouTube für das Modellieren in Blender sowie spezifische Add-ons für Blender, die dabei helfen.
Beim 3D-Druck von Orthesen ist es wichtig, ein Material zu verwenden, das für den langfristigen Hautkontakt geeignet ist. Meine Experimente habe ich mit antibakteriellem PLA von Copper3D durchgeführt, das sogar eine FDA-Zulassung hat und laut Copper3D als geeignet für Schienen gilt. Allerdings habe ich diese Orthesen nie dauerhaft genutzt.
Versuche mit Federmechanismen
Von Anfang an hatte ich die Idee, eine Orthese mit einem Federmechanismus zu bauen. Dieser Mechanismus sollte einerseits die Beweglichkeit des Handgelenks erhalten und andererseits die Hand sanft in die gewünschte Position drücken.
Alle Designs und Prototypen scheiterten jedoch letztlich daran, die benötigte Kraft in die Hand einzuleiten, ohne unerwünschte Nebenwirkungen zu verursachen. Wenn die Hand zu fest fixiert wurde, führte dies zu einer schlechteren Durchblutung (kalte Finger). War die Fixierung der Hand hingegen zu locker, rutschte sie in der Orthese oder verformte sich darin (z. B. drückte der Daumen in die Handfläche).
Ich habe hauptsächlich mit Blättern aus hochwertigen Edelstahl-Fühlerlehren als Federmechanismus experimentiert. Der Vorteil hierbei ist, dass die verschiedenen Blattstärken unterschiedliche Kräfte ausüben. Ein Federpaket aus Blättern unterschiedlicher Stärken weist zudem ganz eigene spezifische Eigenschaften auf.
Zu diesem Zweck habe ich mehrere Stützvarianten entwickelt: ungepolsterte und gepolsterte, passgenau im 3D-Druck hergestellte Modelle aus Copper3D-PLA sowie Varianten aus EVA-Material. Die PLA-Varianten haben den Vorteil, dass der Punkt der Krafteinleitung auf die Hand flexibel positioniert werden kann und gleichzeitig eine Extension/Flexion des Handgelenks ermöglicht wird, während Druck in Richtung der Elle (Supination) ausgeübt wird.
Eine weitere Möglichkeit sind gezielt verstärkte oder eingeschnittene EVA-Orthesenvarianten. Aber auch damit konnte ich kein zufriedenstellendes Ergebnis erzielen.
Wenn du eine funktionierende Lösung findest, Ideen hast oder Fragen dazu, melde dich gerne!
