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Prothese (Prosthesis)
Gesundheit

Prothese (Prosthesis)

TORIma Akademie — Biomedizinische Technik

Prosthesis

Prothese (Prosthesis)

In der Medizin ist eine Prothese (pl.: Prothesen; aus dem Altgriechischen: πρόσθεσις, romanisiert: prosthesis, wörtlich „Hinzufügung, Anwendung, Befestigung“) oder ein…

Im medizinischen Bereich eine Prothese (pl.: Prothesen; aus dem Altgriechischen: πρόσθεσις, romanisiert: Prothese, lit.  'Zusatz, Anwendung, Befestigung', auch bekannt als Prothesenimplantat, ist definiert als ein künstliches Gerät, das einen fehlenden Körperteil ersetzen soll, dessen Fehlen auf ein körperliches Trauma, eine Krankheit oder eine angeborene Störung zurückzuführen sein kann. Diese Geräte dienen entweder der Wiederherstellung der normalen physiologischen Funktionen des fehlenden Körperteils oder erfüllen eine kosmetische Funktion.

Personen, die sich einer Amputation unterzogen haben, werden allgemein als Amputierte bezeichnet. Der Rehabilitationsprozess für Amputierte wird in erster Linie von einem Physiotherapeuten überwacht, der in einem interdisziplinären Team arbeitet, dem typischerweise Physiotherapeuten, Orthopädietechniker, Krankenpfleger, Physiotherapeuten und Ergotherapeuten angehören. Prothesen können manuell oder durch computergestütztes Design (CAD) hergestellt werden, eine Softwareschnittstelle, die das Design, die Analyse und die Optimierung von Kreationen mithilfe computergenerierter 2D- und 3D-Grafiken erleichtert.

Typen

Das Design und die Montage einer Prothese müssen auf die spezifischen ästhetischen und funktionellen Anforderungen einer Person zugeschnitten sein. Faktoren wie persönliche Umstände, Komorbiditäten, finanzielle Ressourcen (einschließlich Krankenversicherungsschutz) und Zugang zu spezialisierter medizinischer Versorgung erfordern oft ein Gleichgewicht zwischen ästhetischen Überlegungen und funktionellem Nutzen während des Entscheidungsprozesses. Darüber hinaus könnten für bestimmte Personen myoelektrische, körperbetriebene oder aktivitätsspezifische Geräte geeignete Optionen sein. Die zukünftigen Ziele, beruflichen Ambitionen und potenziellen Fähigkeiten einer Person können die Auswahl zwischen verschiedenen Prothesen erheblich beeinflussen.

Kraniofaziale Prothesen umfassen sowohl intraorale als auch extraorale Kategorien. Extraorale Prothesen werden weiter in hemifaziale, aurikuläre (Ohr-), nasale, orbitale und okulare Prothesen unterteilt. Intraorale Prothesen umfassen Zahnprothesen, einschließlich Zahnprothesen, Obturatoren und Zahnimplantate.

Prothesen für den Halsbereich umfassen Kehlkopfersatz sowie Ersatz für die Luftröhre und die obere Speiseröhre.

Zu den Rumpfprothesen gehören Brustprothesen, die einseitig oder beidseitig sein können und vollständige Brustprothesen oder Brustwarzenprothesen umfassen.

Penisprothesen dienen mehreren Zwecken, darunter der Behandlung von erektiler Dysfunktion, der Durchführung von Phalloplastiken bei Männern und der Konstruktion eines Neophallus bei Geschlechtsumwandlungsoperationen von Frau zu Mann.

Gliedmaßenprothesen

Gliedmaßenprothesen umfassen sowohl Geräte für die obere als auch für die untere Extremität.

Prothesen für die obere Extremität werden auf verschiedenen Amputationsebenen eingesetzt, einschließlich Vorderviertel-, Schulterexartikulation, transhumeraler, Ellenbogenexartikulation, transradialer, Handgelenkexartikulation, Ganzhand-, Teilhand-, Finger- und Teilfingeramputationen. Konkret handelt es sich bei einer transradialen Prothese um ein künstliches Glied, das einen Arm ersetzen soll, der unterhalb des Ellenbogengelenks fehlt.

Prothesen für die oberen Gliedmaßen werden in drei Hauptkategorien eingeteilt: passive Geräte, körperbetriebene Geräte und extern angetriebene (myoelektrische) Geräte. Passive Geräte umfassen passive Hände, die hauptsächlich für kosmetische Zwecke verwendet werden, und passive Werkzeuge, die hauptsächlich für spezielle Aktivitäten wie Freizeit- oder Berufstätigkeiten eingesetzt werden. Eine umfassende Übersicht und Klassifizierung passiver Geräte wird in einer Literaturübersicht von Maat et al. vorgestellt. Passive Geräte können entweder statisch sein, keine beweglichen Komponenten aufweisen, oder einstellbar sein, was Konfigurationsänderungen ermöglicht (z. B. einstellbare Handöffnung). Trotz des Mangels an aktiven Greiffähigkeiten erweisen sich passive Geräte als äußerst nützlich bei bimanuellen Aufgaben, die eine Objektfixierung oder -unterstützung erfordern, sowie für die Gestikulation in sozialen Interaktionen. Wissenschaftliche Daten zeigen, dass ein Drittel der weltweit amputierten oberen Gliedmaßen eine passive Handprothese verwenden. Körperbetriebene oder kabelbetriebene Gliedmaßen funktionieren durch die Befestigung eines Gurt- und Kabelsystems um die kontralaterale Schulter relativ zum betroffenen Arm. Eine aktuelle Innovation in der körperbetriebenen Prothetik besteht darin, die Atmung des Benutzers zu nutzen, um die Handprothese anzutreiben und zu steuern, wodurch möglicherweise Betätigungskabel und -gurte überflüssig werden. Die dritte Kategorie verfügbarer Prothesen besteht aus myoelektrischen Armen. Diese spezielle Geräteklasse unterscheidet sich von den vorangegangenen Kategorien durch ihr integriertes Batteriesystem. Dieses Batteriesystem erfüllt die Doppelfunktion der Energieversorgung sowohl der Betätigungs- als auch der Sensorkomponenten. Während die Betätigung hauptsächlich von motorischen oder pneumatischen Systemen abhängt, wurden verschiedene Lösungen zur Erfassung der Muskelaktivität untersucht, darunter Techniken wie Elektromyographie, Sonomyographie, Myokinetik und andere. Diese Methoden basieren auf der Erfassung der winzigen elektrischen Ströme, die von kontrahierten Muskeln während der Bewegung des Oberarms erzeugt werden, typischerweise unter Verwendung von Elektroden oder anderen geeigneten Instrumenten. Anschließend werden diese erfassten Signale in spezifische Greifmuster oder Haltungen übersetzt, die von der künstlichen Hand ausgeführt werden.

In der Prothesenindustrie wird eine transradiale Armprothese üblicherweise als „BE“-Prothese (unter dem Ellenbogen) bezeichnet.

Prothesen für die unteren Extremitäten bieten Ersatz für verschiedene Amputationsstufen. Dazu gehören Hüftexartikulationen, Oberschenkelprothesen, Knieexartikulationen, Unterschenkelprothesen, Syme-Amputationen sowie Prothesen für Fuß, Teilfuß und Zehen. Die beiden Hauptunterkategorien von Prothesen für die unteren Extremitäten sind transtibial (bezieht sich auf jede Amputation, die das Schienbein durchtrennt, oder auf eine angeborene Anomalie, die zu einem Unterschenkeldefizit führt) und transfemoral (bezieht sich auf jede Amputation, die den Femurknochen durchtrennt oder auf eine angeborene Anomalie, die zu einem Femurdefekt führt).

Eine transfemorale Prothese ist ein künstliches Glied, das ein Bein ersetzen soll oberhalb des Knies amputiert. Personen mit Oberschenkelamputationen stehen häufig vor großen Herausforderungen bei der Wiederherstellung der normalen Gehfähigkeit. Typischerweise verbraucht ein Oberschenkelamputierter beim Gehen etwa 80 % mehr Energie als eine Person mit intakten unteren Gliedmaßen. Dieser erhöhte Energieaufwand ist auf die inhärente Komplexität der kniebezogenen Bewegung zurückzuführen. Zeitgenössische und fortschrittliche Designs umfassen Hydraulik, Kohlefaser, mechanische Verbindungen, Motoren, Computer-Mikroprozessoren und innovative Kombinationen dieser Technologien, um die Benutzerkontrolle zu verbessern. In der Prothesenindustrie wird eine transfemorale Beinprothese üblicherweise als „AK“-Prothese (über dem Knie) bezeichnet.

Eine Unterschenkelprothese ist ein künstliches Glied, das ein unterhalb des Knies amputiertes Bein ersetzen soll. Unterschenkelamputierte erreichen in der Regel leichter normale Bewegungen als Personen mit Oberschenkelamputationen, was vor allem auf den Erhalt des Kniegelenks zurückzuführen ist, was die Fortbewegung erleichtert. Unter Prothesen der unteren Extremitäten versteht man künstlich ersetzte Gliedmaßen, die sich auf oder unterhalb der Hüfthöhe befinden. In der Prothetikbranche wird eine Unterschenkelprothese häufig als „BK“-Prothese (unterhalb des Knies) bezeichnet.

Prothesen werden von klinischen Orthopädietechnikern hergestellt und angepasst, bei denen es sich um medizinische Fachkräfte handelt, die für ihre Herstellung, Anpassung und Anpassung verantwortlich sind. Bei Prothesen für die unteren Gliedmaßen beurteilen Orthopädietechniker auch den Gang und die Ausrichtung der Prothese. Nach der Anpassung und Anpassung durch einen Orthopädietechniker unterstützt ein Rehabilitationsphysiotherapeut (in Nordamerika als Physiotherapeut bekannt) neue Prothesenträger beim Erlernen des Gehens mit einer Beinprothese. Diese Anweisung kann verbale Anleitung und taktile Hinweise beinhalten. Das Training kann in einer klinischen Umgebung oder zu Hause stattfinden. Untersuchungen deuten darauf hin, dass das Training zu Hause durch die Nutzung eines Laufbands verbessert werden kann. Die Integration eines Laufbands in die Physiotherapie hilft Einzelpersonen dabei, verschiedene Herausforderungen zu meistern, die mit der Gehprothese verbunden sind.

Im Vereinigten Königreich werden 75 % der Amputationen der unteren Gliedmaßen aufgrund von Dysvaskularität oder unzureichender Durchblutung durchgeführt. Diese Erkrankung ist häufig mit mehreren Begleiterkrankungen wie Diabetes und Herzerkrankungen verbunden, die die Genesung und den effektiven Einsatz einer Prothese zur Wiederherstellung der Mobilität und Unabhängigkeit behindern können. Derzeit mangelt es an Forschungsergebnissen, die ausreichende Beweise liefern, um Personen mit dysvaskulären Amputationen der unteren Extremitäten bei der Auswahl optimaler prothetischer Rehabilitationsstrategien zu helfen.

Prothesen für die unteren Extremitäten werden typischerweise nach der Amputationshöhe klassifiziert oder nach einem bestimmten Chirurgen benannt.

Prothetische Materialien

Prothesen sind so konzipiert, dass sie leicht sind, um den Benutzerkomfort zu erhöhen. Zu den wichtigsten Materialien, die bei ihrer Konstruktion verwendet werden, gehören:

Radprothesen haben auch bei der Rehabilitation verletzter Haustiere breite Anwendung gefunden, darunter Hunde, Katzen, Schweine, Kaninchen und Schildkröten.

Organprothesen

Beispiele für Organprothesen sind künstliche Herzen und Nieren.

Verlauf

Die Ursprünge der Prothetik lassen sich bis in den antiken Nahen Osten um 3000 v. Chr. zurückverfolgen, wobei die frühesten Beweise aus dem alten Ägypten und dem Iran stammen. Ein früher Texthinweis auf Augenprothesen findet sich in der ägyptischen Erzählung vom Auge des Horus aus der Zeit um 3000 v. Chr., in der die Wiederherstellung des linken Auges des Horus durch Thoth nach dessen Entfernung beschrieben wird. Archäologische Funde aus dem alten Iran, insbesondere Shahr-i Shōkhta, liefern den frühesten physischen Beweis für eine Augenprothese, die im Zusammenhang mit der Beerdigung einer Frau aus der Zeit um 3000–2800 v. Chr. entdeckt wurde. Dieses Artefakt wurde wahrscheinlich aus Bitumenpaste gefertigt und mit einer dünnen Goldschicht überzogen. Darüber hinaus waren die Ägypter frühe Innovatoren in der Fußprothetik, wie zum Beispiel ein Holzzeh zeigt, der an einem Körper aus dem Neuen Reich aus der Zeit um 1000 v. Chr. entdeckt wurde. Ein weiterer alter Textbericht aus Südasien, etwa 1200 v. Chr., beschreibt im Rigveda die Kriegerkönigin Vishpala. Obwohl römische Bronzekronen ausgegraben wurden, dürfte ihre primäre Funktion eher ästhetischer als medizinischer Natur gewesen sein.

Der griechische Historiker Herodot liefert einen frühen Bericht über eine Prothese und erzählt die Geschichte von Hegesistratus, einem griechischen Wahrsager, der seinen eigenen Fuß amputierte, um spartanischen Häschern zu entgehen, und ihn anschließend durch eine Holzprothese ersetzte.

Prothetik aus Holz und Metall

Plinius der Ältere dokumentierte den Bericht des römischen Feldherrn Marcus Sergius, der, nachdem er im Kampf seine rechte Hand verloren hatte, eine Eisenprothese benutzte, um seinen Schild zu führen und wieder in den Kampf einzusteigen. Eine weitere bemerkenswerte historische Armprothese, die für ihre Raffinesse bekannt ist, gehörte Götz von Berlichingen und stammt aus dem frühen 16. Jahrhundert. Der früheste definitiv bestätigte Einsatz einer Prothese reicht jedoch von 950 bis 710 v. Chr. Im Jahr 2000 entdeckten Forschungspathologen in einer ägyptischen Nekropole in der Nähe des antiken Theben eine Mumie aus dieser Zeit und brachten einen künstlichen großen Zeh zum Vorschein. Dieser aus Holz und Leder gefertigte Zeh wies deutliche Gebrauchsspuren auf. Als biomechanische Ingenieure das Gerät im Jahr 2011 nachbauten, zeigten ihre Ergebnisse, dass diese alte Prothese es ihrem Träger ermöglichte, sowohl barfuß als auch mit Sandalen im ägyptischen Stil zu gehen. Vor dieser Entdeckung war die älteste bekannte Prothese ein künstliches Bein, das in Capua gefunden wurde.

Gleichzeitig wird auch dokumentiert, dass François de la Noue eine eiserne Hand besaß, eine Eigenschaft, die René-Robert Cavalier de la Salle im 17. Jahrhundert teilte. Henri de Tonti verwendete beispielsweise einen Prothesenhaken als Handersatz. Während des gesamten Mittelalters hatten Prothesen größtenteils ein rudimentäres Design. Ritter, die durch eine Verletzung außer Gefecht gesetzt wurden, wurden oft mit Prothesen ausgestattet, um ihnen zu ermöglichen, einen Schild zu führen, eine Lanze oder ein Schwert zu greifen oder beim Reiten Stabilität zu bewahren. Folglich hatten nur wohlhabende Personen Zugang zu Prothesen, die alltägliche Aktivitäten erleichtern sollten.

Eine besonders bemerkenswerte Prothese wurde im Zusammenhang mit einem Italiener entdeckt, dessen amputierte rechte Hand, so die Hypothese, durch ein Messer ersetzt wurde. Forscher, die das Skelett untersuchen, das auf einem langobardischen Friedhof in Povegliano Veronese exhumiert wurde, gehen davon aus, dass das Individuum zwischen dem 6. und 8. Jahrhundert n. Chr. lebte. In der Nähe der Überreste gefundene Hilfsmaterialien deuten darauf hin, dass die Messerprothese mit einem Lederriemen befestigt war, den der Mann angeblich wiederholt mit seinen Zähnen festzog.

In der Renaissancezeit gab es Fortschritte in der Prothesentechnologie, bei der Materialien wie Eisen, Stahl, Kupfer und Holz verwendet wurden. Gleichzeitig markierte das 16. Jahrhundert die Entstehung wirklich funktioneller Prothesen.

Technologische Fortschritte vor dem 20. Jahrhundert

Ein italienischer Chirurg dokumentierte einen Amputierten, der eine Armprothese besaß, die in der Lage war, komplizierte Aufgaben auszuführen, darunter das Abnehmen des Hutes, das Öffnen der Handtasche und das Ausführen von Unterschriften. Signifikante Verbesserungen sowohl in der Amputationschirurgie als auch im Prothesendesign werden Ambroise Paré zugeschrieben. Zu seinen Innovationen gehörten ein Gerät über dem Knie mit einem knienden Bein und einer Fußprothese mit fester Position, einem verstellbaren Gurt und einem Kniesperrmechanismus. Die durch Parés Fortschritte demonstrierte verbesserte Funktionalität lieferte eine Blaupause für die spätere Prothesenentwicklung.

Zusätzliche bedeutende Verbesserungen in der Vormoderne:

Nach dem Ende des Zweiten Weltkriegs begann die National Academy of Sciences (NAS), sich für eine verstärkte Forschung und Entwicklung im Bereich der Prothetik einzusetzen. Infolgedessen wurde ein staatlich finanziertes Forschungs- und Entwicklungsprogramm für die Armee, die Marine, die Luftwaffe und die Veteranenverwaltung eingerichtet.

Moderne Geschichte der Prothetik der unteren Extremitäten

Nach dem Zweiten Weltkrieg trug ein Forschungsteam an der University of California in Berkeley, darunter James Foort und C.W. Radcliff, zur Entwicklung der viereckigen Pfanne bei, indem es ein Vorrichtungsanpassungssystem für Amputationen oberhalb des Knies etablierte. Ein späterer Fortschritt in der Schafttechnologie für die unteren Extremitäten erfolgte in den 1980er Jahren, als John Sabolich C.P.O. führte den CATCAM-Schaft (Contoured Adducted Trochanteric-Controlled Alignment Method) ein, der sich später zum Sabolich-Schaft entwickelte. Diese Innovation baute auf der Arbeit von Ivan Long und Ossur Christensen auf, die Alternativen zur viereckigen Steckdose erforscht hatten, die selbst ein Nachfolger der früheren hölzernen Steckdose mit offenem Ende war. Die primäre Verbesserung resultierte aus einem verfeinerten Kontaktmodell zwischen Steckdose und Patient. Früher waren die Gelenkpfannen typischerweise quadratisch geformt und verfügten nicht über eine spezielle Aufnahme für das Muskelgewebe. Moderne Designs hingegen sichern die knöcherne Anatomie, sorgen für Stabilität und verteilen das Gewicht gleichmäßig auf den Stumpf und die Muskulatur des Patienten. Die Ischiaseindämmung ist eine unter Orthopädietechnikern weithin anerkannte und genutzte Technik zur Verbesserung der Patientenversorgung, die zu verschiedenen maßgeschneiderten Designs der Ischiaseindämmung führt. Weitere bemerkenswerte Mitwirkende an der Sockelentwicklung im Laufe der Zeit sind Tim Staats, Chris Hoyt und Frank Gottschalk. Gottschalk stellte jedoch die Wirksamkeit des CAT-CAM-Sockels in Frage und behauptete, dass der vom Amputationschirurgen durchgeführte chirurgische Eingriff von entscheidender Bedeutung sei, um den Amputierten auf den optimalen Einsatz jedes Prothesenschaftdesigns vorzubereiten.

Die ersten mikroprozessorgesteuerten Knieprothesen wurden Anfang der 1990er Jahre kommerziell erhältlich. Die intelligente Prothese, eingeführt von Chas. A. Blatchford & Sons, Ltd. aus Großbritannien stellte 1993 die erste kommerziell erhältliche mikroprozessorgesteuerte Knieprothese vor, die das natürliche Gefühl und Erscheinungsbild des prothetischen Gehens verbesserte. Eine verbesserte Version, die Intelligent Prosthesis Plus, wurde 1995 auf den Markt gebracht. Blatchford brachte daraufhin 1998 die Adaptive Prosthesis auf den Markt, die hydraulische und pneumatische Steuerungen mit einem Mikroprozessor integrierte, um einen Gang zu ermöglichen, der besser auf Schwankungen der Gehgeschwindigkeit reagiert. Finanzprognosen deuten darauf hin, dass eine hochentwickelte Oberschenkelprothese über einen Zeitraum von 45 Jahren etwa 1 Million US-Dollar kosten könnte, wenn man nur die jährlichen Anpassungen der Lebenshaltungskosten berücksichtigt.

Im Jahr 2019 startete ein Projekt im Rahmen der AT2030-Initiative, das sich auf die Herstellung maßgeschneiderter Prothesenschäfte aus thermoplastischen Materialien anstelle herkömmlicher Gipsabdrücke konzentriert. Dieses Verfahren bietet Vorteile hinsichtlich der Produktionsgeschwindigkeit und deutlich reduzierten Kosten. Diese innovativen Steckdosen wurden als Amparo Confidence Steckdosen bezeichnet.

Moderne Geschichte der oberen Extremität

Im Jahr 2005 initiierte die DARPA das Revolutionizing Prosthetics-Programm, ein 100-Millionen-Dollar-Projekt mit dem Ziel, „eine fortschrittliche elektromechanische Prothese für die obere Extremität mit nahezu natürlicher Kontrolle zu entwickeln, die die Unabhängigkeit und Lebensqualität von Amputierten dramatisch verbessern würde“, wie die DARPA erklärte. Im Jahr 2014 erhielt der von Dean Kamen und seinem Team bei DEKA Research and Development Corp. entwickelte LUKE-Arm die FDA-Zulassung als erster prothetischer Arm, der in der Lage ist, „Signale von den Muskeln einer Person zu übertragen, um komplexe Aufgaben auszuführen“, so die FDA. An diesem Programm nahmen auch die Johns Hopkins University und das U.S. Department of Veteran Affairs teil.

Zukünftige Designtrends

Die Entwicklung der Trends im Prothesendesign ist durch kontinuierliche Fortschritte gekennzeichnet. Zeitgenössisches Design legt Wert auf die Verwendung leichterer, haltbarerer und flexiblerer Materialien wie Kohlefaser, Silikon und fortschrittliche Polymere. Diese Materialien erhöhen die Haltbarkeit der Prothese und reduzieren ihr Gewicht. Gleichzeitig können sie das Aussehen und das Tastgefühl natürlicher Haut simulieren und so den Benutzern ein komfortableres und authentischeres Erlebnis bieten. Solche technologischen Innovationen tragen dazu bei, das mit der Verwendung von Prothesen verbundene soziale Stigma zu verringern, indem sie eine nahtlosere Integration für Personen mit Prothesen ermöglichen. Ein deutlicher Trend ist die Integration bionischer und myoelektrischer Komponenten in Prothesendesigns. Diese fortschrittlichen Gliedmaßen verwenden Sensoren, um elektrische Signale zu erfassen, die von den restlichen Muskeln des Benutzers erzeugt werden. Anschließend werden diese Signale in Bewegungen umgesetzt, sodass Benutzer ihre Prothesen durch ihre eigenen Muskelkontraktionen steuern können. Diese Entwicklung hat den Bewegungsumfang und die Bewegungsfreiheit für Amputierte erheblich erweitert und komplexe Aktionen wie das Greifen von Gegenständen oder das natürliche Gehen deutlich einfacher möglich gemacht. Darüber hinaus entwickelt sich die Integration künstlicher Intelligenz (KI) zu einem führenden Thema im Prothesendesign. KI-gestützte Prothesen verfügen über die Fähigkeit, im Laufe der Zeit zu lernen und sich an die Gewohnheiten und Vorlieben eines Benutzers anzupassen, wodurch eine optimale Funktionalität gewährleistet wird. Durch die Analyse von Parametern wie Gang, Griff und anderen Bewegungen können diese intelligenten Prothesen Anpassungen in Echtzeit vornehmen, was zu sanfteren und natürlicheren Bewegungen führt.

Patientenverfahren

Eine Prothese dient als funktioneller Ersatz für eine Gliedmaße, die amputiert wurde, eine angeborene Fehlbildung aufweist oder aus anderen Gründen fehlt. Orthopädietechniker tragen die Verantwortung für die Verschreibung, das Design und die laufende Verwaltung dieser Prothesen.

Üblicherweise leitet der Orthopädietechniker den Prozess ein, indem er einen Gipsabdruck des betroffenen Gliedes des Patienten anfertigt. Anschließend werden leichte, hochfeste Thermoplaste individuell an dieses patientenspezifische Modell angepasst. Fortschrittliche Materialien wie Kohlefaser, Titan und Kevlar werden verwendet, um der neuen Prothese Festigkeit und Haltbarkeit zu verleihen und gleichzeitig das Gesamtgewicht zu reduzieren. Darüber hinaus verfügen anspruchsvollere Prothesen über fortschrittliche elektronische Systeme, die die Stabilität und Kontrolle für den Benutzer verbessern.

Aktuelle Technologie und Fertigung

Im Laufe der Zeit wurden erhebliche Fortschritte in der Technologie künstlicher Gliedmaßen erzielt. Die Entwicklung neuartiger Kunststoffe und Materialien wie Kohlefaser hat die Entwicklung stärkerer und leichterer künstlicher Gliedmaßen ermöglicht und dadurch den für deren Betrieb erforderlichen zusätzlichen Energieaufwand minimiert. Dieser besondere Vorteil ist für Oberschenkelamputierte von entscheidender Bedeutung. Darüber hinaus hat der Einbau zusätzlicher Materialien den ästhetischen Realismus künstlicher Gliedmaßen verbessert, ein Faktor, der für transradial und transhumeral amputierte Menschen von erheblicher Bedeutung ist, da die Wahrscheinlichkeit, dass ihre Prothesen sichtbar sind, höher ist.

Über die Materialinnovationen hinaus ist die Integration von Elektronik bei künstlichen Gliedmaßen allgegenwärtig geworden. Myoelektrische Prothesen, die Muskelbewegungen in elektrische Signale zur Gliedmaßensteuerung umwandeln, haben kabelbetriebene Gliedmaßen weitgehend verdrängt. Myoelektrische Signale werden über Elektroden erfasst, integriert und lösen anschließend bei Überschreiten eines vorgegebenen Schwellenwerts ein Prothesensteuerungssignal aus, was in allen myoelektrischen Steuerungssystemen zwangsläufig zu einer gewissen Latenz führt. Im Gegensatz dazu bietet die Kabelsteuerung unmittelbares, physisches Feedback und vermittelt so ein direktes Kraftgefühl, das myoelektrischen Systemen normalerweise fehlt. Darüber hinaus werden Computer in großem Umfang bei der Herstellung von Gliedmaßenprothesen eingesetzt. Computergestütztes Design (CAD) und computergestützte Fertigung (CAM) werden häufig eingesetzt, um die Design- und Produktionsprozesse für künstliche Gliedmaßen zu erleichtern.

Moderne künstliche Gliedmaßen werden in der Regel mithilfe von Gürteln und Manschetten oder Saugmechanismen am Restglied (Stumpf) des Amputierten befestigt. Der Stumpf kann direkt mit einem Prothesenschaft verbunden sein, oder, was in der aktuellen Praxis häufiger vorkommt, es wird ein Liner verwendet, der dann über Vakuum (Saugschäfte) oder ein Pin-Lock-System am Schaft befestigt wird. Da die Liner weich sind, ermöglichen sie im Vergleich zu starren Schaften einen besseren Saugsitz. Silikonliner sind in Standardgrößen erhältlich, überwiegend mit kreisförmigem Querschnitt; Es können jedoch kundenspezifische Liner hergestellt werden, um jede andere Stumpfmorphologie zu berücksichtigen. Der Schaft selbst ist so konzipiert, dass er genau auf den Stumpf passt und die von der künstlichen Gliedmaße ausgeübten Kräfte gleichmäßig über die gesamte Oberfläche des Stumpfes verteilt, wodurch örtlicher Druck und Verschleiß gemindert werden.

Herstellung von Prothesenschäften

Die Herstellung eines Prothesenschaftes beginnt mit der Erfassung der Geometrie des Stumpfes, einem Vorgang, der als Formerfassung bezeichnet wird. Ziel dieses Verfahrens ist es, eine präzise Darstellung des Stumpfes zu erzeugen, die für die Erzielung einer optimalen Schaftpassung von grundlegender Bedeutung ist. Traditionell wurden maßgeschneiderte Schafte hergestellt, indem ein Gipsabdruck des Stumpfes oder, was heute üblicher ist, des darüber getragenen Liners angefertigt und anschließend aus diesem Gipsabdruck geformt wurde. Typischerweise wird für diesen Zweck Gips verwendet. In den letzten Jahren sind fortschrittliche digitale Formerfassungssysteme entstanden, die eine direkte Computereingabe für anspruchsvollere Designs ermöglichen. Im Allgemeinen umfasst der Formerfassungsprozess die digitale Erfassung dreidimensionaler (3D) geometrischer Daten vom Stumpf des Amputierten unter Verwendung von Werkzeugen wie Sonden, Laserscannern, Scannern mit strukturiertem Licht oder fotobasierten 3D-Scansystemen.

Nach der Formerfassung ist der nächste Schritt bei der Herstellung von Prothesenschäften die Korrektur, bei der das Modell des Stumpfes modifiziert wird. Bei dieser Modifikation wird Volumen an knöchernen Vorsprüngen und potenziellen Druckpunkten hinzugefügt und gleichzeitig Volumen an lasttragenden Bereichen entfernt. Die Korrektur kann manuell durch Auftragen oder Entfernen von Gips auf einem Positivmodell oder virtuell durch Manipulation eines computergestützten Modells in einer speziellen Software erfolgen. Nach der Korrektur und Freigabe des Modells beginnt die endgültige Fertigung des Prothesenschaftes. Orthopädietechniker konstruieren den Schaft typischerweise, indem sie das Positivmodell mit einer halbgeschmolzenen Kunststofffolie oder einer mit Epoxidharz beschichteten Kohlefaser umwickeln. Bei computergestützten Modellen ermöglicht der 3D-Druck die Herstellung aus verschiedenen Materialien mit unterschiedlichen Flexibilitäts- und mechanischen Festigkeitseigenschaften.

Das Erreichen einer optimalen Schaftpassung zwischen dem Stumpf und dem Prothesenschaft ist von größter Bedeutung für die Gesamtfunktion und die effektive Nutzung der Prothese. Ein lockerer Sitz zwischen dem Stumpf und dem Schaft oder Liner kann die Kontaktfläche verkleinern, was zu erhöhten Lufteinschlüssen zwischen der Stumpfhaut und der Schnittstelle führt. Dieser Zustand führt zu einem erhöhten Druck, der Schmerzen verursachen kann. Darüber hinaus begünstigen Lufteinschlüsse die Schweißansammlung, wodurch die Haut möglicherweise weicher wird und es häufig zu juckenden Hautausschlägen kommt. Im Laufe der Zeit kann dies zu einer Schädigung der Haut führen. Umgekehrt kann ein zu enger Sitz hohe Schnittstellendrücke erzeugen, die nach längerem Gebrauch ebenfalls zu Hautschädigungen führen.

Die Herstellung künstlicher Gliedmaßen umfasst typischerweise die folgenden aufeinanderfolgenden Schritte:

  1. Präzise Vermessung des Stumpfes.
  2. Umfassende Körpervermessung zur Ermittlung der passenden Größe für das künstliche Glied.
  3. Anbringen eines Silikonliners am Stumpf.
  4. Erstellung eines Modells, das den Liner darstellt, wie er über dem Stumpf getragen wird.
  5. Bildung einer thermoplastischen Folie um das Modell, die anschließend für die erste prothetische Passformprüfung verwendet wird.
  6. Herstellung der Dauersteckdose.
  7. Herstellung der Kunststoffkomponenten der künstlichen Gliedmaßen unter Verwendung von Methoden wie Vakuumformen und Spritzgießen.
  8. Herstellung der Metallkomponenten der künstlichen Gliedmaßen durch Druckguss.
  9. Endmontage der kompletten künstlichen Gliedmaße.

Körperbetriebene Arme

Moderne Technologie ermöglicht körperbetriebenen Armen ein Gewicht, das etwa die Hälfte bis ein Drittel des Gewichts myoelektrischer Arme beträgt.

Sockets

Aktuelle körperbetriebene Arme verfügen über Sockel aus starren Materialien wie hartem Epoxidharz oder Kohlefaser. Der Komfort dieser Gelenkpfannen, die oft als „Schnittstellen“ bezeichnet werden, lässt sich erhöhen, indem man sie mit einem weicheren, komprimierbaren Schaumstoff auskleidet, der die Knochenvorsprünge abfedert. Für Personen mit kurz- bis mittelgradigem Fehlen der Gliedmaßen unterhalb des Ellenbogens erweist sich ein selbstaufhängendes oder suprakondyläres Pfannendesign als vorteilhaft. Längere Gliedmaßen erfordern möglicherweise einen Roll-On-Innenfutter mit Verriegelung oder kompliziertere Gurtsysteme zur Verstärkung der Federung.

Handgelenke

Armbandgeräte sind in der Regel entweder mit Schraubanschlüssen ausgestattet, die in den USA üblicherweise mit dem UNF 1/2-20-Gewindestandard ausgestattet sind, oder mit verschiedenen Modellen von Schnellverschlussanschlüssen.

Systeme zur freiwilligen Öffnung und zum freiwilligen Schließen

Es gibt zwei Hauptkategorien von körperbetriebenen Prothesensystemen: freiwilliges Öffnen, das einen „Ziehen zum Öffnen“-Vorgang erfordert, und freiwilliges Schließen, das mit einem „Ziehen zum Schließen“-Mechanismus funktioniert. Fast alle „Split-Hook“-Prothesen nutzen ein freiwilliges Öffnungssystem.

Moderne Greifer, bekannt als GRIPS, verfügen über freiwillige Schließmechanismen. Ein wesentlicher Unterschied liegt in ihren Funktionsprinzipien: Systeme zum freiwilligen Öffnen basieren auf elastischen Bändern oder Federn, um eine Greifkraft zu erzeugen, während Systeme zum freiwilligen Schließen die körpereigene Kraft und Energie des Benutzers zum Greifen nutzen.

Personen, die Systeme zum freiwilligen Schließen verwenden, können Greifkräfte erreichen, die mit denen einer natürlichen Hand vergleichbar sind und möglicherweise mehr als 50 kg betragen. Diese freiwillig schließenden GRIFFE erfordern eine kontinuierliche Spannung zum Greifen und spiegeln die Funktion einer menschlichen Hand wider, wodurch die natürliche Handleistung besser nachgeahmt wird. Im Gegensatz dazu sind Benutzer von geteilten Haken mit freiwilliger Öffnung auf die Kräfte beschränkt, die durch ihre Gummi- oder Federmechanismen erzeugt werden, typischerweise unter 20 Pfund.

Feedback-Mechanismen

Eine weitere Unterscheidung betrifft das erzeugte Biofeedback, das es dem Benutzer ermöglicht, den gehaltenen Gegenstand wahrzunehmen. Sobald sie aktiviert sind, behalten freiwillige Öffnungssysteme eine statische Haltekraft bei, die wie ein passiver Schraubstock an der Gliedmaße funktioniert und keine Rückmeldung zum Greifen gibt, nachdem der Haken einen Gegenstand gesichert hat. Umgekehrt liefern freiwillige Schließsysteme eine direkt proportionale Steuerung und Biofeedback, sodass Benutzer die Größe der ausgeübten Kraft spüren können.

Im Jahr 1997 entwickelte Professor Álvaro Ríos Poveda, ein kolumbianischer Forscher, der sich auf Bionik in Lateinamerika spezialisiert hat, eine Prothese für die oberen Gliedmaßen und die Hand, die sensorisches Feedback beinhaltet. Diese Innovation ermöglicht amputierten Patienten mit Handprothesen eine natürlichere Interaktion.

Eine kürzlich durchgeführte Untersuchung hat gezeigt, dass die Stimulation des Nervus medianus und des Nervus ulnaris auf der Grundlage von Daten künstlicher Sensoren in einer Handprothese einem Amputierten physiologisch angemessene (natürliche) sensorische Informationen liefern kann. Dieses Feedback ermöglichte es dem Teilnehmer, die Greifkraft der Prothese präzise zu regulieren, ohne sich auf visuelle oder akustische Signale verlassen zu müssen.

Im Februar 2013 implantierten Forscher der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (Schweiz) und der Scuola Superiore Sant'Anna (Italien) Elektroden in den Arm eines Amputierten, um dem Patienten sensorisches Feedback zu geben und eine Prothesensteuerung in Echtzeit zu ermöglichen. Über Drähte, die mit Nerven in seinem Oberarm verbunden waren, konnte ein dänischer Patient Objekte manipulieren und über eine spezielle künstliche Hand, die von Silvestro Micera und Forschungsteams in der Schweiz und Italien entwickelt wurde, sofort taktile Empfindungen wahrnehmen.

Im Juli 2019 haben Forscher der University of Utah unter der Leitung von Jacob George diese Technologie weiterentwickelt. Das Team implantierte Elektroden in den Arm eines Patienten, um verschiedene Sinnesregeln abzubilden. Anschließend stimulierten sie jede Elektrode, um den Aktivierungsmechanismus für jedes Gebot zu ermitteln, und übertrugen diese sensorischen Informationen dann auf die Prothese. Diese Methode zielte darauf ab, den sensorischen Input, den ein Patient von einer natürlichen Hand erhalten würde, möglichst nahe zu kommen. Während die Kosten für die Armprothese derzeit dafür sorgen, dass sie für den durchschnittlichen Benutzer nicht zugänglich ist, deutete Jacob George an, dass Versicherungsanbieter möglicherweise die Kosten übernehmen könnten.

Endgeräte

Endgeräte umfassen eine Vielzahl von Komponenten, darunter Haken, Greifer, Hände und andere Spezialgeräte.

Hooks

Freiwillig öffnende geteilte Hakensysteme zeichnen sich durch ihre Einfachheit, Bequemlichkeit, geringes Gewicht, Robustheit, Vielseitigkeit und vergleichsweise Erschwinglichkeit aus.

Während ein Haken nicht die Ästhetik oder umfassende Vielseitigkeit einer natürlichen menschlichen Hand nachahmt, bieten seine Materialeigenschaften überlegene Toleranzen für mechanische Beanspruchung (z. B. kann er im Gegensatz zu einer natürlichen Hand Schachteln öffnen oder als Hammer fungieren), verbesserte thermische Stabilität (z. B. beim Umgang mit Gegenständen aus kochendem Wasser, beim Wenden von Fleisch auf dem Grill oder beim Halten eines (z. B. brennendes Streichholz) und Beständigkeit gegenüber chemischen Gefahren (z. B. hält ein Metallhaken Säuren und Laugen stand und reagiert nicht auf Lösungsmittel wie ein Prothesenhandschuh oder die menschliche Haut).

Hände

Prothesenhände sind sowohl in der freiwilligen Öffnungs- als auch in der Schließkonfiguration erhältlich. Ihr kompliziertes mechanisches Design und die kosmetischen Handschuhüberzüge erfordern eine erhebliche Aktivierungskraft, die je nach verwendetem Gurtsystem zu Unbehagen führen kann. Eine kürzlich von der Technischen Universität Delft in den Niederlanden durchgeführte Untersuchung ergab, dass über mehrere Jahrzehnte historisch zu wenig in die Weiterentwicklung mechanischer Handprothesen investiert wurde. Diese Untersuchung ergab, dass die Klemmkraftfähigkeiten der meisten modernen mechanischen Zeiger für praktische Anwendungen nicht ausreichen. Das leistungsstärkste bewertete Gerät war insbesondere eine Handprothese, die ursprünglich um 1945 entworfen wurde. Dennoch begann Laura Hruby von der Medizinischen Universität Wien im Jahr 2017 mit der Erforschung bionischer Hände. Darüber hinaus sind mehrere 3D-druckbare bionische Handdesigns mit offener Hardware entstanden. Gleichzeitig entwickeln einige Hersteller Roboterhände mit integrierten Unterarmen, die am Oberarm eines Patienten befestigt werden können. Im Jahr 2020 entwickelte das Italian Institute of Technology (IIT) außerdem eine Roboterhand mit integriertem Unterarm, die als Soft Hand Pro bezeichnet wird.

Kommerzielle Lieferanten und Materialspezifikationen

Hosmer und Otto Bock sind führende kommerzielle Anbieter von Prothesenhaken. Beide Unternehmen vertreiben auch mechanische Zeiger, wobei die Becker-Hand weiterhin von der Familie Becker hergestellt wird. Prothesenhände können entweder mit handelsüblichen oder individuell angefertigten kosmetischen Silikonhandschuhen ausgestattet werden. Alternativ sind auch herkömmliche Arbeitshandschuhe kompatibel. Zu den weiteren Endgeräten gehören der V2P Prehensor, ein robuster und anpassungsfähiger Greifer mit vom Benutzer veränderbaren Funktionen; Texas Assist Devices, das eine umfassende Palette an Tools bereitstellt; und TRS, spezialisiert auf Endgeräte für sportliche Aktivitäten. Kabelbaumsysteme bestehen typischerweise aus Flugzeugstahlkabeln, Kugelscharnieren und selbstschmierenden Kabelummantelungen. Bestimmte Prothesendesigns wurden speziell für die Funktionalität in salzhaltigen Umgebungen entwickelt.

Prothesen der unteren Extremitäten

Untere Extremitätenprothesen beziehen sich auf künstliche Gliedmaßen, die biologische Strukturen am oder unterhalb des Hüftgelenks ersetzen. Ephraim et al. (2003) schätzten die globale Inzidenz aller Amputationen der unteren Extremitäten über alle Altersgruppen hinweg auf 2,0 bis 5,9 pro 10.000 Einwohner. Darüber hinaus ergab ihre Forschung, dass die Prävalenzrate angeborener Gliedmaßendefizite bei der Geburt zwischen 3,5 und 7,1 Fällen pro 10.000 Lebendgeburten liegt.

Die primären Klassifizierungen für Prothesen für die unteren Extremitäten sind transtibial, womit Amputationen, die das Schienbein durchtrennen, oder angeborene Tibiadefizite abgedeckt werden, und transfemoral, was sich auf Amputationen bezieht, die das Femur oder angeborene Femurdefekte durchtrennen. In der Prothesenindustrie wird eine transtibiale Prothese üblicherweise als „BK“-Prothese (unterhalb des Knies) bezeichnet, während eine transfemorale Prothese häufig als „AK“-Prothese (oberhalb des Knies) bezeichnet wird.

Andere, weniger häufige Amputationsniveaus der unteren Extremitäten sind:

  1. Hüftexartikulationen beschreiben typischerweise Fälle, in denen eine Person, entweder ein Amputierter oder ein Patient mit einer angeborenen Anomalie, eine Amputation oder Fehlbildung am oder in der Nähe des Hüftgelenks aufweist.
  2. Knieexartikulationen bezeichnen im Allgemeinen eine Amputation durch das Kniegelenk, bei der der Oberschenkelknochen vom Schienbein getrennt wird.
  3. Eine Symes-Amputation beinhaltet eine Knöchelexartikulation, bei der das Fersenpolster sorgfältig erhalten bleibt.

Prothesenschaft

Der Prothesenschaft fungiert als entscheidende Schnittstelle zwischen Restglied und Prothese und ermöglicht im Idealfall eine komfortable Gewichtsbelastung, präzise Bewegungssteuerung und effektive Propriozeption. Allerdings werden Probleme wie Beschwerden und Hautschädigungen im Zusammenhang mit der Alveole immer wieder als erhebliche Herausforderungen für Personen mit Amputationen der unteren Gliedmaßen angesehen.

Schaft- und Verbindungsmechanismen

Diese Komponente stellt den notwendigen Abstand und die strukturelle Unterstützung her und verbindet das Kniegelenk mit dem Fuß bei Oberschenkelprothesen bzw. die Gelenkpfanne mit dem Fuß bei Unterschenkelprothesen. Die spezifischen Verbindungsmechanismen zwischen dem Schaft und der Knie-/Fuß-Baugruppe bestimmen die Modularität der Prothese. Modularität impliziert die Fähigkeit, den Winkel und die Verschiebung des Fußes relativ zur Pfanne nach der Anpassung anzupassen. In Entwicklungsländern werden überwiegend nicht-modulare Prothesen eingesetzt, um die Herstellungskosten zu minimieren. Für pädiatrische Patienten ist die Modularität sowohl im Winkel als auch in der Höhe angesichts ihrer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 1,9 cm von entscheidender Bedeutung.

Fußprothese

Der Prothesenfuß stellt den Bodenkontakt her und bietet entscheidende Stoßdämpfung und Stabilität während der Standphase des Gangs. Darüber hinaus beeinflussen seine Morphologie und Steifigkeit die Gangbiomechanik erheblich. Dieser Einfluss ergibt sich aus der Tatsache, dass die Flugbahn des Druckzentrums (COP) und die Ausrichtung der Bodenreaktionskräfte durch die Form und Steifigkeit des Fußes bestimmt werden und eine Übereinstimmung mit dem Körperbau des Individuums erfordert, um ein normatives Gangmuster zu ermöglichen. Untersuchungen von Andrysek (2010) identifizierten sechzehn verschiedene Fußtypen, die erhebliche Unterschiede in der Haltbarkeit und biomechanischen Leistung aufweisen. Eine der größten Herausforderungen bei modernen Fußprothesen ist ihre Haltbarkeit, wobei die Nutzungsdauer typischerweise zwischen 16 und 32 Monaten liegt. Diese Ergebnisse beziehen sich auf erwachsene Benutzer und es wird erwartet, dass die Haltbarkeit bei pädiatrischen Benutzern aufgrund erhöhter Aktivitätsniveaus und Schuppenbildungseffekten verringert sein kann. Die aktuellen Erkenntnisse zum Vergleich verschiedener Fuß- und Knöchelprothesenmechanismen reichen nicht aus, um die Überlegenheit eines einzelnen Designs schlüssig zu belegen. Folglich müssen bei der Geräteauswahl Faktoren wie Kosten, individuelle Funktionsanforderungen und Produktverfügbarkeit berücksichtigt werden.

Kniegelenk

Für Personen mit einer Oberschenkelamputation (oberhalb des Knies) ist ein hochentwickeltes Verbindungsstück unerlässlich, um die Artikulation zu ermöglichen und die Beugung während der Schwungphase zu ermöglichen, während die Steifheit während der Standphase erhalten bleibt. Aufgrund seiner Rolle beim Ersatz des anatomischen Knies stellt das Prothesenkniegelenk den kritischsten Bestandteil der Prothese für Oberschenkelamputierte dar. Eine wirksame Kniegelenkprothese zielt darauf ab, die Funktion eines natürlichen Knies nachzubilden, indem es strukturelle Unterstützung und Stabilität während der Standphase bietet und gleichzeitig eine kontrollierte Beugung während der Schwungphase ermöglicht. Diese Funktionalität ermöglicht dem Benutzer einen reibungslosen und energieeffizienten Gang und mildert so die funktionellen Auswirkungen einer Amputation. Die Knieprothese ist normalerweise über einen Schaft mit der Fußprothese verbunden, der üblicherweise aus Aluminium- oder Graphitrohren besteht.

Ein wichtiger Aspekt bei einer Kniegelenkprothese ist der Mechanismus zur Steuerung der Standphase. Das Hauptziel der Standphasenkontrolle besteht darin, ein Einknicken des Knies zu verhindern, wenn die Prothese beim ersten Kontakt belastet wird. Dieser Mechanismus gewährleistet die Stabilität des Knies, was für die Unterstützung der Einzelbeinstützphase des Gangs und die Erleichterung eines nahtlosen Übergangs in die Schwungphase von entscheidender Bedeutung ist. Die Standphasenkontrolle kann durch verschiedene Methoden implementiert werden, darunter mechanische Sperren, optimierte Ausrichtung von Prothesenkomponenten, gewichtsaktivierte Reibungskontrolle und polyzentrische Designs.

Mikroprozessorsteuerung

Um die dynamische Funktionalität des Knies beim Gehen nachzuahmen, wurden mikroprozessorgesteuerte Kniegelenke entwickelt, die die Kniebeugung regulieren. Bemerkenswerte Beispiele sind das 1997 auf den Markt gebrachte C-Bein von Otto Bock; Ossurs Rheo Knee, eingeführt im Jahr 2005; Ossurs Power Knee, veröffentlicht im Jahr 2006; das Plié Knee von Freedom Innovations; und das Self Learning Knee (SLK) von DAW Industries.

Dieses Konzept wurde ursprünglich von Kelly James, einer kanadischen Ingenieurin der University of Alberta, konzipiert.

Ein Mikroprozessor wird verwendet, um Daten von integrierten Kniewinkel- und Momentsensoren zu interpretieren und zu analysieren. Dieser Mikroprozessor verarbeitet Sensorsignale, um die spezifische Art der Bewegung zu ermitteln, die der Amputierte ausführt. Die meisten mikroprozessorgesteuerten Kniegelenke beziehen ihren Strom aus einer Batterieeinheit, die in die Prothese integriert ist.

Die vom Mikroprozessor verarbeiteten sensorischen Daten bestimmen den Widerstand, der von Hydraulikzylindern im Kniegelenk erzeugt wird. Winzige Ventile regulieren den Fluss von Hydraulikflüssigkeit in und aus diesen Zylindern und steuern so die Ausdehnung und Kompression eines Kolbens, der mit dem proximalen Kniesegment verbunden ist.

Ein Hauptvorteil mikroprozessorgesteuerter Prothesen ist ihre Fähigkeit, dem natürlichen Gang eines Amputierten besser nachzueifern. Bestimmte Modelle ermöglichen das Gehen mit nahezu normaler Geschwindigkeit oder sogar das Laufen. Auch Geschwindigkeitsschwankungen werden berücksichtigt, indem Sensoren Änderungen erkennen und diese Informationen an den Mikroprozessor weiterleiten, der sich dann entsprechend anpasst. Darüber hinaus ermöglichen diese Geräte Amputierten das Hinabsteigen von Treppen in einem reziproken Schritt-für-Schritt-Muster, im Gegensatz zu der bei mechanischen Knien typischerweise erforderlichen Einzelschritt-Methode. Neue Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass Personen, die mikroprozessorgesteuerte Prothesen verwenden, von einer höheren Zufriedenheit und Verbesserungen der Funktionsfähigkeit, der Gesundheit der Stumpfglieder und der allgemeinen Sicherheit berichten. Benutzer können bei täglichen Aktivitäten, auch beim Multitasking, höhere Geschwindigkeiten erreichen und weniger Stürze erleben.

Bestimmte prothetische Designs weisen jedoch erhebliche Einschränkungen auf, die ihre praktische Anwendung behindern. Diese Geräte sind anfällig für Wasserschäden und erfordern sorgfältige Pflege, um ihren trockenen Zustand aufrechtzuerhalten.

Myoelektrische Prothesen

Eine myoelektrische Prothese funktioniert durch die Interpretation des elektrischen Potenzials, das bei Muskelkontraktionen erzeugt wird. Dieses bioelektrische Signal, das von willentlich aktivierten Muskeln stammt, wird von Oberflächenelektroden erfasst und anschließend zur Steuerung von Prothesenbewegungen wie Ellenbogenbeugung/-streckung, Supination/Pronation des Handgelenks oder digitaler Artikulation verwendet. Dieser Prothesentyp nutzt das verbleibende neuromuskuläre System des Körpers, um die Funktionen einer elektrisch angetriebenen Hand-, Handgelenk-, Ellbogen- oder Fußprothese zu steuern. Es unterscheidet sich von einer elektrischen Schalterprothese, die auf vom Körper betätigten Riemen oder Kabeln beruht, um Schalter zu betätigen, die die Bewegungen der Prothese steuern. Derzeit fehlen eindeutige Beweise für die überlegene Funktionalität myoelektrischer Prothesen der oberen Extremitäten im Vergleich zu körperbetriebenen Alternativen. Zu den Vorteilen myoelektrischer Prothesen für die oberen Extremitäten gehören jedoch ein verbessertes kosmetisches Erscheinungsbild, die Eignung für leichte Alltagsaufgaben und die potenzielle Linderung von Phantomschmerzen. Umgekehrt weisen myoelektrische Prothesen möglicherweise eine geringere Haltbarkeit auf, erfordern längere Trainingszeiten, erfordern häufigere Anpassungen und Wartung und bieten dem Benutzer normalerweise kein sensorisches Feedback.

Professor Alvaro Ríos Poveda hat mehrere Jahre damit verbracht, eine zugängliche und nicht-invasive Lösung für die Herausforderung des sensorischen Feedbacks in der Prothetik zu entwickeln. Er geht davon aus, dass: „Während gedankengesteuerte Gliedmaßenprothesen ein erhebliches Potenzial für Amputierte bieten, verhindert das Fehlen einer sensorischen Rückmeldung an das Gehirn die präzise Steuerung, die für komplizierte Bewegungen erforderlich ist. Durch die direkte Verbindung des Tastsinns einer mechanischen Hand mit dem Gehirn können Prothesen die Funktion einer amputierten Gliedmaße auf eine Weise wiederherstellen, die der natürlichen Empfindung sehr nahe kommt.“ Auf dem XVIII. Weltkongress für medizinische Physik und biomedizinische Technik in Nizza, Frankreich, im Jahr 1997 stellte er die erste myoelektrische Handprothese mit sensorischem Feedback vor.

Die Union der Sozialistischen Sowjetrepubliken (UdSSR) leistete 1958 Pionierarbeit bei der Entwicklung des myoelektrischen Arms. Anschließend, im Jahr 1964, vermarktete das Zentrale Prothetische Forschungsinstitut der UdSSR das erste Myoelektrikum Arm, der dann von der Hangar Limb Factory in Großbritannien vertrieben wurde. Myoelektrische Prothesen zeichnen sich durch hohe Kosten, einen hohen Wartungsbedarf und eine Anfälligkeit gegenüber Schweiß und Feuchtigkeit aus.

Roboterprothesen

Roboter bieten die Möglichkeit, objektive Bewertungen der Patientenbeeinträchtigung und der therapeutischen Wirksamkeit zu erstellen, bei der Diagnose zu helfen, Interventionen an individuelle motorische Fähigkeiten anzupassen, die Einhaltung von Behandlungsprotokollen sicherzustellen und Patientendaten zu verwalten. Zahlreiche Studien haben erhebliche Verbesserungen der motorischen Funktion der oberen Gliedmaßen nach einem Schlaganfall gezeigt, wenn Robotik zur Rehabilitation eingesetzt wird. Damit eine Roboterprothese effektiv funktioniert, sind mehrere integrierte Komponenten erforderlich. Biosensoren sind entscheidend für die Erkennung von Signalen des Nerven- oder Muskelsystems des Benutzers. Diese Informationen werden dann an einen internen Mikrocontroller übertragen, der auch Rückmeldungen von der Extremität und ihren Aktoren – wie Position oder Kraft – verarbeitet, bevor er sie an den Hauptcontroller weiterleitet. Beispiele für Biosensoren sind Oberflächenelektroden zur Erfassung der elektrischen Aktivität der Haut, intramuskulär implantierte Nadelelektroden oder Festkörperelektroden-Arrays zur neuronalen Integration. Eine bestimmte Kategorie dieser Biosensoren wird in myoelektrischen Prothesen verwendet.

Der Controller, eine Schlüsselkomponente, stellt Verbindungen zwischen dem Nerven- und Muskelsystem des Benutzers und der Prothese selbst her. Es überträgt willentliche Befehle des Benutzers an die Aktoren des Geräts und interpretiert Rückmeldungen sowohl von mechanischen als auch von Biosensoren für den Benutzer. Darüber hinaus hat die Steuerung die Aufgabe, die Bewegungen des Geräts zu überwachen und zu regulieren.

Ein Aktuator reproduziert die Funktion eines Muskels, indem er Kraft erzeugt und Bewegungen erleichtert. Ein häufiges Beispiel ist ein Motor, der das natürliche Muskelgewebe unterstützen oder ersetzen soll.

Targeted Muscle Reinnervation (TMR) ist eine chirurgische Technik, bei der motorische Nerven, die früher die Muskeln eines amputierten Gliedes innervierten, chirurgisch umgeleitet werden, um einen lokalisierten Bereich eines großen, intakten Muskels, beispielsweise des großen Brustmuskels, zu reinnervieren. Wenn ein Patient daher beabsichtigt, den Daumen seiner fehlenden Hand zu bewegen, kommt es zu einer lokalisierten Muskelkontraktion auf seiner Brust. Durch die strategische Platzierung von Sensoren über dem reinnervierten Muskel können diese Kontraktionen genutzt werden, um die Bewegung einer entsprechenden Komponente einer Roboterprothese zu steuern.

Targeted Sensory Reinnervation (TSR) stellt eine Variation dieser Technik dar. Dieses Verfahren ähnelt der TMR, mit dem Unterschied, dass sensorische Nerven chirurgisch zum Hautgewebe auf der Brust umgeleitet werden, im Gegensatz zu motorischen Nerven, die zum Muskel umgeleitet werden. Jüngste Fortschritte haben die Fähigkeit von Robotergliedern verbessert, neuronale Signale vom menschlichen Gehirn zu interpretieren und sie in Bewegung innerhalb des künstlichen Gliedes umzuwandeln. DARPA, die Forschungsabteilung des Pentagons, verfolgt aktiv weitere Fortschritte in diesem Bereich. Ihr Ziel ist es, ein künstliches Glied zu entwickeln, das direkt in das Nervensystem integriert ist.

Roboterprothesen für die oberen Gliedmaßen

Fortschritte in der Prozessortechnologie für myoelektrische Prothesen haben erhebliche Verbesserungen bei der Präzisionssteuerung dieser Geräte ermöglicht. Der Boston Digital Arm ist ein Beispiel für ein modernes künstliches Glied, das diese hochentwickelten Prozessoren nutzt. Dieser Arm erleichtert die Bewegung über fünf Achsen und bietet programmierbare Anpassungen für ein verbessertes Benutzererlebnis. Die von David Gow in Edinburgh, Schottland, entwickelte I-LIMB-Hand ist kürzlich die erste kommerziell erhältliche Handprothese mit fünf unabhängig angetriebenen Fingern. Darüber hinaus verfügt die Hand über einen manuell drehbaren Daumen, der vom Benutzer passiv bedient wird und das Greifen in Präzisions-, Kraft- und Tastengriffkonfigurationen ermöglicht.

Der Proto 1 des Applied Physics Laboratory der Johns Hopkins University stellt eine weitere bemerkenswerte Nervenprothese dar. Zusätzlich zu Proto 1 stellte die Universität 2010 Proto 2 fertig. Anfang 2013 entwickelten Max Ortiz Catalan und Rickard Brånemark von der Chalmers University of Technology und dem Sahlgrenska University Hospital in Schweden erfolgreich den ersten gedankengesteuerten Roboterarm, der durch Osseointegration dauerhaft am Körper befestigt werden kann.

Armrotation ist ein besonders vorteilhafter Ansatz, der häufig von einseitig Amputierten (Personen mit einer Amputation) eingesetzt wird Amputationen, die nur eine Körperseite betreffen) und werden für beidseitig Amputierte (Personen, denen beide Arme oder Beine fehlen oder denen eine Amputation unterzogen wurde) als wesentlich erachtet, um die Aktivitäten des täglichen Lebens zu erleichtern. Diese Methode beinhaltet die chirurgische Implantation eines kleinen Permanentmagneten in das distale Ende des verbleibenden Knochens bei Personen mit Amputationen der oberen Gliedmaßen. Wenn der Proband den restlichen Arm dreht, dreht sich der Magnet mit dem Knochen mit, was zu einer messbaren Änderung der Magnetfeldverteilung führt. EEG-Signale (Elektroenzephalogramm), die mit kleinen flachen Metallscheiben erfasst werden, die an der Kopfhaut befestigt werden, und im Wesentlichen die menschliche Gehirnaktivität im Zusammenhang mit körperlichen Bewegungen entschlüsseln, werden dann zur Steuerung der Roboterglieder verwendet. Dieser Mechanismus ermöglicht dem Benutzer die direkte Kontrolle über die Prothesenkomponente.

Roboter-Unterschenkelprothesen

Die Forschung an robotergestützten Prothesen für die unteren Gliedmaßen hat Fortschritte gemacht und ermöglicht präzise Bewegungen und Kontrolle.

Im September 2013 kündigten Forscher am Rehabilitation Institute of Chicago die Entwicklung eines Roboterbeins an, das in der Lage ist, neuronale Impulse von den Oberschenkelmuskeln des Benutzers in Bewegung umzuwandeln, und markierte damit die erste Beinprothese mit dieser Fähigkeit. Dieses Gerät wird derzeit getestet.

Hugh Herr, der die Biomechatronikgruppe am Media Lab des MIT leitet, hat den PowerFoot BiOM entwickelt, ein Roboter-Unterschenkelbein.

Das isländische Unternehmen Össur hat außerdem ein Roboter-Unterschenkelbein mit einem motorisierten Knöchel entwickelt, der den Fußwinkel während des gesamten Gangzyklus des Trägers dynamisch anpasst, gesteuert durch Algorithmen und Sensoren. Darüber hinaus gibt es gehirngesteuerte bionische Beine, die es Einzelpersonen ermöglichen, ihre Gliedmaßen über einen drahtlosen Sender zu bewegen.

Prothesendesign

Roboterprothesen zielen in erster Linie darauf ab, die Gangbiomechanik bei Amputierten durch aktive Betätigung zu verbessern und dadurch Stabilität und Symmetrie zu verbessern und den Energieverbrauch zu senken. Der Markt bietet verschiedene angetriebene Beinprothesen an, die in vollständig angetriebene Systeme unterteilt sind, bei denen Aktuatoren die Gelenke direkt steuern, und in semiaktive Beine, die minimale Energie und kleine Aktuatoren nutzen, um mechanische Eigenschaften zu verändern, ohne positive Nettoenergie zum Gang beizutragen. Bemerkenswerte Beispiele sind der emPOWER von BionX, der Proprio Foot von Ossur und der Elan Foot von Endolite. Im letzten Jahrzehnt haben zahlreiche Forschungsgruppen auch Experimente mit Roboterbeinkonstruktionen durchgeführt. Zu den wichtigsten Forschungsbereichen gehören die Gestaltung des Geräteverhaltens während der Stand- und Schwungphasen, die Erkennung aktueller Gehaufgaben und die Bewältigung mechanischer Designherausforderungen im Zusammenhang mit Robustheit, Gewicht, Batterielebensdauer/-effizienz und Geräuschpegel. Kürzlich haben Wissenschaftler der Stanford University und der Seoul National University ein künstliches Nervensystem entwickelt, das sensorisches Feedback in Gliedmaßenprothesen ermöglichen soll. Dieses synthetische neuronale System ermöglicht es Prothesen, Blindenschrift zu erkennen, taktile Empfindungen wahrzunehmen und mit ihrer Umgebung zu interagieren.

Verwendung recycelter Materialien

Weltweit werden Prothesen zunehmend aus recycelten Plastikflaschen und -deckeln hergestellt.

Direkte Knochenbefestigung und Osseointegration

Konventionelle Prothesen werden typischerweise extern und nicht dauerhaft befestigt. Die mit der Stumpf- und Pfannenmethode häufig verbundenen Beschwerden haben zu umfangreichen Untersuchungen zu direkten Knochenbefestigungstechniken geführt.

Osseointegration beinhaltet die Befestigung eines künstlichen Gliedes am Körper über ein prothetisches Implantat. Diese Technik wird gelegentlich auch als Exoprothese bezeichnet und bezieht sich auf die Befestigung eines künstlichen Gliedes direkt am Knochen oder Endo-Exoprothese. Im Gegensatz dazu handelt es sich bei Endoprothesen um künstliche Gelenkimplantate, wie sie zum Beispiel bei Knie- und Hüftprothesen verwendet werden und die vollständig im Körper verankert sind.

Bei diesem Verfahren wird ein Titanbolzen in den verbliebenen Knochen am distalen Ende des Stumpfes eingesetzt. Nach einigen Monaten integriert sich der Knochen mit dem Titanbolzen, auf dem anschließend ein Abutment befestigt wird. Das Abutment ragt aus dem Stumpf heraus und ermöglicht die Befestigung einer abnehmbaren künstlichen Gliedmaße. Zu den Vorteilen dieser Methode gehören:

Der Hauptnachteil dieses Ansatzes besteht darin, dass Personen mit direkter Knochenbefestigung die Gliedmaßen aufgrund des Risikos eines Knochenbruchs keinen starken Aufprallkräften aussetzen können, wie sie beispielsweise beim Joggen auftreten.

Kosmetik

Kosmetische Prothesen dienten in der Vergangenheit dazu, Verletzungen und Entstellungen zu verbergen. Moderne technologische Fortschritte haben die Entwicklung der Kosmetik ermöglicht, bei der lebensechte Gliedmaßen aus Materialien wie Silikon oder PVC hergestellt werden. Diese Prothesen, einschließlich künstlicher Hände, können nun so konstruiert werden, dass sie das Aussehen natürlicher Hände nachbilden und Merkmale wie Sommersprossen, Venen, Haare, Fingerabdrücke und sogar Tätowierungen integrieren. Maßgeschneiderte Kosmetika sind in der Regel mit höheren Kosten verbunden, die je nach Detailgenauigkeit Tausende von US-Dollar betragen können, während Standardkosmetikprodukte in verschiedenen vorgefertigten Größen erhältlich sind, denen jedoch häufig die Realitätsnähe maßgeschneiderter Versionen fehlt. Eine Alternative ist eine individuell angefertigte Silikonhülle, die farblich an den Hautton einer Person angepasst werden kann, feine Details wie Sommersprossen oder Falten jedoch nicht nachbildet. Kosmetika können mit verschiedenen Methoden am Körper befestigt werden, darunter durch Kleben, Saugen, formschlüssige Designs, dehnbare Haut oder eine Hauthülle.

Kognition

Im Gegensatz zu neuromotorischen Prothesen sind neurokognitive Prothesen so konzipiert, dass sie neuronale Aktivität erkennen oder modifizieren und dadurch kognitive Funktionen, einschließlich exekutiver Funktionen, Aufmerksamkeit, Sprache und Gedächtnis, physisch wiederherstellen oder verbessern. Während derzeit keine neurokognitiven Prothesen verfügbar sind, wurde die Konzeptualisierung implantierbarer neurokognitiver Gehirn-Computer-Schnittstellen für therapeutische Anwendungen bei Erkrankungen wie Schlaganfall, traumatischer Hirnverletzung, Zerebralparese, Autismus und Alzheimer-Krankheit vorangetrieben. Der aufstrebende Bereich Assistive Technology for Cognition konzentriert sich auf die Entwicklung von Technologien zur Verbesserung der menschlichen kognitiven Fähigkeiten. Beispiele hierfür sind Planungsgeräte wie Neuropage, die Personen mit Gedächtnisdefiziten dazu auffordern, bestimmte Aufgaben wie Arzttermine zu übernehmen. Darüber hinaus wurden Mikro-Prompting-Systeme, darunter PEAT, AbleLink und Guide, eingesetzt, um Benutzern zu helfen, die bei der Ausführung alltäglicher Aktivitäten Probleme mit dem Gedächtnis und den exekutiven Funktionen haben.

Prothetische Verbesserung

Über herkömmliche künstliche Gliedmaßen für den täglichen Gebrauch hinaus verwenden zahlreiche Amputierte und Personen mit angeborenen Erkrankungen spezielle Gliedmaßen und Geräte, um die Teilnahme an Sport- und Freizeitaktivitäten zu erleichtern.

Sowohl Science-Fiction als auch in jüngerer Zeit die wissenschaftliche Gemeinschaft haben das Konzept des Einsatzes fortschrittlicher Prothesen untersucht, um gesunde biologische Komponenten durch künstliche Mechanismen und Systeme zu ersetzen und so die physiologische Funktion zu verbessern. Die ethischen Implikationen und die allgemeine Wünschbarkeit solcher technologischen Fortschritte sind Gegenstand ständiger Diskussionen zwischen Transhumanisten, verschiedenen Ethikern und der breiten Öffentlichkeit. Dieser potenzielle Ersatz erstreckt sich auf Gliedmaßen und Extremitäten, einschließlich Beine, Arme, Hände und Füße.

Das erste Experiment mit einer gesunden Person wurde offenbar von dem britischen Wissenschaftler Kevin Warwick durchgeführt. Im Jahr 2002 wurde ein Implantat direkt mit Warwicks Nervensystem verbunden. Dieses Elektrodenarray, bestehend aus etwa einhundert Elektroden, wurde innerhalb des Nervus medianus positioniert. Die erzeugten Signale waren ausreichend detailliert, um es einem Roboterarm zu ermöglichen, Warwicks eigene Armbewegungen nachzubilden und eine Form von taktilem Feedback zu liefern, wiederum über das Implantat.

Das von Dean Kamen gegründete Unternehmen DEKA entwickelte den „Luke-Arm“, eine fortschrittliche nervengesteuerte Prothese. Klinische Studien begannen im Jahr 2008, die FDA-Zulassung erfolgte im Jahr 2014, und die kommerzielle Produktion durch die Universal Instruments Corporation wurde für 2017 erwartet. Der von Mobius Bionics angebotene Verkaufspreis wird voraussichtlich etwa 100.000 US-Dollar betragen.

Nachfolgende Untersuchungen, insbesondere im April 2019, haben Fortschritte bei der Prothesenfunktion und dem Komfort von 3D-gedruckten personalisierten tragbaren Systemen gezeigt. Anstatt eine manuelle Integration nach dem Drucken zu erfordern, ermöglicht der Einbau elektronischer Sensoren an der Schnittstelle zwischen einer Prothese und dem Gewebe des Trägers die Erfassung von Daten, wie z. B. der Druckverteilung im Gewebe, die zukünftige Iterationen dieser Prothesendesigns informieren und verbessern können.

Oscar Pistorius

Anfang 2008 wurde Oscar Pistorius, bekannt als „Blade Runner“ aus Südafrika, vorübergehend von den Olympischen Sommerspielen 2008 ausgeschlossen. Der Grund für diese Entscheidung war, dass seine Unterschenkelprothesen angeblich einen unangemessenen Wettbewerbsvorteil gegenüber Sportlern mit biologischen Knöcheln verschafften. Eine spezielle Studie ergab, dass seine Prothesen im Vergleich zu den Gliedmaßen eines nichtbehinderten Läufers, der mit gleicher Geschwindigkeit läuft, 25 Prozent weniger Energie verbrauchten. Diese ursprüngliche Entscheidung wurde jedoch später im Berufungsverfahren aufgehoben, wobei das Berufungsgericht geltend machte, dass eine umfassende Bewertung der Vor- und Nachteile der Prothesen von Pistorius unterlassen worden sei.

Pistorius qualifizierte sich in diesem Jahr nicht für die südafrikanische Olympiamannschaft, dominierte jedoch anschließend die Sommerparalympics 2008. Seitdem gilt er als berechtigt, sich für künftige Olympische Spiele zu qualifizieren. Er qualifizierte sich erfolgreich für die Weltmeisterschaft 2011 in Südkorea und erreichte das Halbfinale, wo er nach Zeit den letzten Platz belegte; Er belegte in der ersten Runde den 14. Platz und seine persönliche Bestleistung im 400-m-Lauf hätte ihm den 5. Platz im Finale gesichert. Bei den Olympischen Sommerspielen 2012 in London erreichte Pistorius einen historischen Meilenstein, indem er als erster amputierter Läufer an Olympischen Spielen teilnahm. Er nahm am Halbfinale des 400-Meter-Laufs und am Finale des 4 × 400-Meter-Staffellaufs teil. Darüber hinaus nahm er an fünf Wettbewerben bei den Sommerparalympics 2012 in London teil.

Designüberlegungen

Das Design einer Unterschenkelprothese erfordert die Berücksichtigung mehrerer Faktoren. Hersteller müssen diese Faktoren bei Designentscheidungen priorisieren.

Leistung

Dennoch sind bestimmte Elemente der Schaft- und Fußmechanik für Sportler unverzichtbar, und diese Aspekte bilden den Hauptschwerpunkt zeitgenössischer High-Tech-Prothetikunternehmen.

Zusätzliche Überlegungen

Potenzielle Benutzer bewerten auch mehrere andere kritische Faktoren:

Prothetische Designprinzipien

Ein vorherrschendes Konzept bei der Prothesenentwicklung ist „Design für Behinderungen“. Auch wenn dieser Ansatz auf den ersten Blick den Anschein erweckt, dass er die gleichberechtigte Beteiligung von Menschen mit Behinderungen an der Gestaltung fördert, stellt seine Umsetzung oft erhebliche Herausforderungen dar. Das grundlegende Problem ergibt sich aus den inhärenten Implikationen des Begriffs „Behinderung“, der Amputierten unbeabsichtigt eine vorgeschriebene „richtige“ Bewegungs- oder Gehmethode suggerieren und dadurch selbstangepasste Bewegungen pathologisieren kann. Darüber hinaus hat ein erheblicher Anteil der Designer, die sich mit „Entwerfen für Behinderungen“ befassen, selbst keine Behinderungen. Dies führt oft zu einem Designprozess, der Behinderung objektiviert, wobei nichtbehinderte Designer sich bei ihrer Arbeit auf simulierte Erfahrungen verlassen. Solche Simulationen sind häufig irreführend und schädlich für Menschen mit Behinderungen, was zu problematischen Entwurfsergebnissen führt. Für ein wirksames Behindertendesign ist die Einbeziehung von Teammitgliedern erforderlich, die über die entsprechende Behinderung verfügen und in einschlägige Forschungsgemeinschaften integriert sind. Ohne dieses direkte Erfahrungswissen können Entwürfe die täglichen Bedürfnisse von Menschen mit tatsächlichen Behinderungen möglicherweise nicht angemessen berücksichtigen oder sie sogar behindern.

Finanzielle Auswirkungen und Zugänglichkeit

Erhöhte Kosten

In den Vereinigten Staaten liegen die Kosten für eine Standardprothese zwischen 15.000 und 90.000 US-Dollar, abhängig von der spezifischen Art, die der Patient benötigt. Bei einer Krankenversicherung tragen die Patienten in der Regel 10–50 % der gesamten Prothesenkosten, der Restbetrag wird vom Versicherer übernommen. Der Selbstbeteiligungsanteil des Patienten schwankt je nach Versicherungsplan und beantragtem Prothesengerät. Umgekehrt werden im Vereinigten Königreich, in weiten Teilen Europas, in Australien und Neuseeland die gesamten Kosten für Prothesen durch staatliche Finanzierung oder Pflichtversicherungsprogramme gedeckt. In Australien beispielsweise werden Prothesen bei krankheitsbedingten Amputationen vollständig durch staatliche Initiativen finanziert, bei den meisten traumatischen Amputationen durch eine Arbeiterunfall- oder Verkehrsunfallversicherung. Das National Disability Insurance Scheme, das zwischen 2017 und 2020 landesweit eingeführt wurde, deckt auch Prothesen ab.

Transradiale Prothesen (für Amputationen unterhalb des Ellenbogens) und transtibiale Prothesen (für Amputationen unterhalb des Knies) kosten im Allgemeinen 6.000 bis 8.000 US-Dollar. Im Gegensatz dazu sind Oberschenkelprothesen (für Amputationen oberhalb des Knies) und transhumerale Prothesen (für Amputationen oberhalb des Ellenbogens) etwa doppelt so teuer und kosten typischerweise zwischen 10.000 und 15.000 US-Dollar, gelegentlich sogar bis zu 35.000 US-Dollar. Die finanzielle Belastung durch eine Prothese kommt häufig immer wieder vor, da Prothesen aufgrund der täglichen Abnutzung in der Regel alle drei bis vier Jahre ausgetauscht werden müssen. Darüber hinaus entstehen zusätzliche Kosten, wenn der Prothesenschaft Probleme mit der Passform aufweist und innerhalb von Monaten nach Einsetzen der Schmerzen ausgetauscht werden muss. Anpassungen für Höhenunterschiede können durch Modifizieren von Komponenten wie Pylonen vorgenommen werden.

Den Patienten entstehen nicht nur Kosten für mehrere Prothesen, sondern auch für die notwendige Physio- und Ergotherapie, die für die Anpassung an ein künstliches Glied erforderlich ist. Im Gegensatz zu den wiederkehrenden Kosten für Prothesen beschränken sich die Therapiekosten, die typischerweise zwischen 2.000 und 5.000 US-Dollar liegen, im Allgemeinen auf die ersten ein bis zwei Jahre nach der Amputation. Sobald ein Patient mit seinem neuen Glied vertraut ist und sich damit wohlfühlt, ist eine fortlaufende Therapie nicht mehr erforderlich. Im Laufe des Lebens eines Menschen werden die prognostizierten Kosten für die Behandlung eines typischen Amputierten, einschließlich Operationen, Prothesen und Therapien, auf 1,4 Millionen US-Dollar geschätzt.

Kostengünstige Prothetik

Kostengünstige Oberschenkelprothesen bieten häufig nur grundlegende strukturelle Unterstützung und eingeschränkte Funktionalität. Eine solche Funktionalität wird üblicherweise durch rudimentäre, nicht artikulierende, instabile oder manuell arretierbare Kniegelenke erreicht. Bestimmte Organisationen, darunter das Internationale Komitee vom Roten Kreuz (IKRK), entwickeln diese Geräte speziell für Entwicklungsländer. Beispielsweise verfügt ein von CR Equipments hergestelltes Gerät, das mit dem IKRK verbunden ist, über ein einachsiges, manuell betätigtes prothetisches Polymer-Kniegelenk mit Verriegelung.

Tabelle: Eine umfassende Liste von Kniegelenktechnologien, abgeleitet aus der Literaturübersicht.

Sébastien Dubois entwarf einen kostengünstigen künstlichen Beinplan, der auf der Internationalen Designausstellung und Preisverleihung 2007 in Kopenhagen, Dänemark, vorgestellt wurde und dort den Index: Award erhielt. Dieser Entwurf sah eine Beinprothese mit Energierückführung vor, die hauptsächlich aus Glasfaser bestand und deren Herstellungskosten auf 8,00 US-Dollar geschätzt wurden.

Vor den 1980er Jahren dienten Fußprothesen hauptsächlich der Wiederherstellung grundlegender Gehfähigkeiten. Diese rudimentären Geräte zeichneten sich durch eine unkomplizierte künstliche Befestigung aus, die den Stumpf mit dem Boden verband.

Die Einführung des Seattle Foot (Seattle Limb Systems) im Jahr 1981 brachte das Gebiet erheblich voran, indem sie das Konzept eines energiespeichernden Prothesenfußes (ESPF) populär machte. Später entwickelten andere Hersteller ähnliche Produkte, was zu einer starken Verbreitung energiespeichernder Prothesenmodelle auf dem Markt führte. Jedes Design enthielt eine Variante einer komprimierbaren Ferse, die beim ersten Bodenkontakt Energie speichert und diese in der späteren Phase des Kontakts wieder abgibt, um den Vortrieb zu erleichtern.

Seitdem zeichnet sich die Fußprothesenindustrie durch stetige, schrittweise Fortschritte bei Leistung, Benutzerkomfort und Marktattraktivität aus.

Der Einsatz von 3D-Druckern ermöglicht die Herstellung individueller Produkte ohne die Notwendigkeit von Metallformen, wodurch erhebliche Kostensenkungen ermöglicht werden.

Die Jaipur-Fuß, ein künstliches Glied aus Jaipur, Indien, kostet ungefähr 40 US-Dollar.

Open-Source-Roboterprothesen

Derzeit gibt es ein Open-Design-Prothetikforum, bekannt als „Open Prosthetics Project“, das Mitarbeiter und Freiwillige einbezieht, um die Prothetiktechnologie voranzutreiben und die Kosten dieser wichtigen Geräte zu senken. Open Bionics, ein auf Open-Source-Roboterprothesenhände spezialisiertes Unternehmen, nutzt 3D-Druck für die Geräteherstellung und kostengünstige 3D-Scanner für die präzise Anpassung an den Stumpf eines Patienten. Die Anwendung des 3D-Drucks von Open Bionics ermöglicht hochgradig personalisierte Designs, am Beispiel des „Hero Arm“, der vom Benutzer bevorzugte Farben, Texturen und Ästhetik, wie Superhelden- oder Star Wars-Charakterthemen, mit dem Ziel der Kostensenkung integriert. Eine umfassende Untersuchung verschiedener gedruckter Handprothesen kam zu dem Schluss, dass die 3D-Drucktechnologie Potenzial für die individuelle Gestaltung von Prothesen bietet, wirtschaftlicher ist als kommerziell erhältliche Prothesen, jedoch teurer als Massenproduktionsmethoden wie Spritzguss. Dieselbe Untersuchung zeigte auch, dass es derzeit an Beweisen zur Funktionalität, Haltbarkeit und Benutzerakzeptanz von 3D-gedruckten Handprothesen mangelt.

Kostengünstige Prothetik für Kinder

In den Vereinigten Staaten erlitten schätzungsweise 32.500 Kinder (unter 21 Jahren) eine schwere pädiatrische Amputation. Jährlich werden 5.525 neue Fälle gemeldet, von denen 3.315 angeboren sind.

Carr et al. (1998) untersuchten durch Landminen verursachte Amputationen bei Kindern (unter 14 Jahren) in Afghanistan, Bosnien und Herzegowina, Kambodscha und Mosambik und ergaben Inzidenzraten von 4,7, 0,19, 1,11 bzw. 0,67 pro 1000 Kinder. Mohan (1986) berichtete über insgesamt 424.000 Amputierte in Indien, wobei jedes Jahr 23.500 hinzukommen, von denen 10,3 % vor ihrem 14. Lebensjahr eine Behinderung erlitten, was insgesamt etwa 43.700 Kindern mit Gliedmaßendefiziten allein in Indien entspricht.

Begrenzte kostengünstige Prothesenlösungen wurden speziell für pädiatrische Bevölkerungsgruppen entwickelt. Bemerkenswerte Beispiele für solche erschwinglichen Prothesen sind:

Stab- und Krückenprothese

Dieses Gerät zeichnet sich durch einen Handstab mit einem Lederstützband oder einer Gliedmaßenplattform aus und stellt eine der unkompliziertesten und wirtschaftlichsten verfügbaren Prothesenoptionen dar. Obwohl es für den vorübergehenden Einsatz wirksam ist, birgt es ein erhebliches Risiko einer schnellen Kontrakturentwicklung, es sei denn, das verbleibende Glied wird täglichen Dehnübungen unterzogen, um den vollen Bewegungsumfang (RoM) aufrechtzuerhalten.

Prothesen aus Bambus, PVC oder Gips

Ein weiteres relativ einfaches Prothesendesign umfasst einen Gipsschaft, der mit einem Bambus- oder PVC-Rohr verbunden ist und optional einen Prothesenfuß enthalten kann. Dieses Design mildert wirksam die Kontrakturbildung, indem es dem Knie ermöglicht, seinen gesamten Bewegungsbereich auszuschöpfen. Produktionshandbücher für diese Lösungen sind über die David Werner Collection erhältlich, eine Online-Ressource zur Unterstützung behinderter Kinder in ländlichen Gemeinden.

Verstellbare Fahrradkomponentenprothese

Dieses Prothesendesign nutzt eine umgekehrte Fahrradsattelstütze als Fußkomponente und bietet dadurch sowohl Flexibilität als auch Längenverstellbarkeit. Ein entscheidender Vorteil ist die Erschwinglichkeit, da auf leicht verfügbare lokale Materialien zurückgegriffen wird.

Sathi-Prothese

Die aus Indien stammende Sathi-Prothese ist ein modulares Endoskelettsystem für die unteren Gliedmaßen, das aus thermoplastischen Komponenten besteht. Zu seinen Hauptvorteilen gehören sein geringes Gewicht und seine hohe Anpassungsfähigkeit.

Monolimb-Prothesen

Monolimbs gelten als nicht modulare Prothesen, die für eine präzise Anpassung das Fachwissen sehr erfahrener Orthopädietechniker erfordern, da Ausrichtungsanpassungen nach der Produktion weitgehend unpraktisch sind. Dennoch weisen diese Geräte im Vergleich zu günstigeren modularen Alternativen im Allgemeinen eine bessere Haltbarkeit auf.

Kulturelle und soziologische theoretische Perspektiven

Zahlreiche Theoretiker haben die tiefgreifende Bedeutung und Implikationen untersucht, die mit der prothetischen Vergrößerung des menschlichen Körpers verbunden sind. Elizabeth Grosz postuliert: „Geschöpfe nutzen Werkzeuge, Schmuck und Geräte, um ihre körperlichen Fähigkeiten zu verbessern. Fehlt ihrem Körper von Natur aus etwas, das einen Ersatz durch künstliche oder Ersatzorgane erfordert? Elaine Scarry behauptet, dass jedes Artefakt dazu dient, den Körper wiederherzustellen und zu erweitern. Beispielsweise ergänzen Stühle die Skelettstruktur, Werkzeuge verlängern die Hände und Kleidung vergrößert die Haut. Nach Scarrys Konzept sind „Möbel und Häuser weder mehr noch weniger integraler Bestandteil des menschlichen Körpers als die Nahrung, die er aufnimmt, noch unterscheiden sie sich grundlegend von fortschrittlichen Prothesen wie künstlichen Lungen, Augen und Nieren. Der Konsum von hergestellten Gegenständen externalisiert den Körper und setzt ihn der und als der Objektkultur aus.“ Mark Wigley, ein angesehener Architekturprofessor, entwickelt diese Perspektive weiter, indem er untersucht, wie architektonische Formen die inhärenten menschlichen Fähigkeiten ergänzen und behauptet, dass „alle Prothesen eine Verwischung der Identität erzeugen“. Ein Teil dieses theoretischen Diskurses stützt sich auf Freuds frühere Konzeptualisierung der Beziehung des Menschen zu Objekten als eine Form der Erweiterung.

Gesellschaftliche Implikationen

Prothesen haben einen erheblichen Einfluss auf die Selbstwahrnehmung einer Person und darauf, wie sie von anderen wahrgenommen wird. Der Einsatz einer Prothese kann die soziale Stigmatisierung abmildern, das Selbstvertrauen stärken und so die mit einer Behinderung verbundene emotionale Belastung lindern. Menschen, die einen Gliedmaßenverlust erleiden, sind zunächst mit tiefgreifenden emotionalen Konsequenzen konfrontiert. Unabhängig von der Ätiologie der Amputation, sei es eine traumatische Verletzung oder eine Krankheit, kommt es unweigerlich zu einem emotionalen Schock. Die Intensität dieses Schocks kann abhängig von Faktoren wie dem Alter des Patienten, der vorherrschenden medizinischen Kultur und der spezifischen medizinischen Ursache variieren. Die Berichte der Forschungsteilnehmer nach der Amputation brachten häufig erhebliche emotionale Belastung zum Ausdruck. Die anfängliche emotionale Reaktion auf eine Amputation war oft von Verzweiflung, einem tiefen Gefühl persönlicher Desintegration und einer nahezu unerträglichen psychischen Belastung geprägt. Emotionale Faktoren stellen nur eine Komponente der umfassenderen sozialen Auswirkungen dar. Viele Personen, die sich einer Gliedmaßenamputation unterziehen, haben große Angst vor Prothesen und ihren verbleibenden Gliedmaßen. Befragte Patienten berichteten, wie von der National Library of Medicine dokumentiert, über den Beginn und die Eskalation von Angstzuständen über einen längeren Zeitraum nach der Operation. Zahlreiche negative Erkenntnisse durchdrangen ihre Gedanken. Die Zukunftsaussichten waren oft düster und von Traurigkeit, Gefühlen der Hilflosigkeit und Verzweiflung geprägt. Existenzielle Unsicherheit, ein wahrgenommener Kontrollverlust und die Erwartung weiterer Lebensverluste aufgrund einer Amputation wurden als primäre Auslöser von Angstzuständen identifiziert, die in der Folge zu Grübeleien und Schlaflosigkeit führten. Der Verlust von Gliedmaßen und der Einbau einer Prothese können auch Emotionen wie Wut und Bedauern hervorrufen. Die Amputation von Gliedmaßen ist nicht nur mit körperlichem Verlust und einem veränderten Körperbild verbunden, sondern auch mit einer abrupten Störung des Gefühls der persönlichen Kontinuität einer Person. Für Teilnehmer, deren Amputation auf ein körperliches Trauma zurückzuführen ist, wird das Ereignis häufig als Verletzung empfunden, die möglicherweise Frustration und Wut hervorruft.

Ethische Bedenken

Wichtige ethische Überlegungen betreffen die Herstellungs- und Produktionsprozesse von Prothesen. Im Zusammenhang mit experimentellen und klinischen Anwendungen sensorischer Prothesen entsteht ein breites Spektrum ethischer Dilemmata, darunter Themen wie Tierversuche, die Einholung einer Einwilligung nach Aufklärung (insbesondere von Patienten mit Erkrankungen wie dem Locked-in-Syndrom, die von sensorischen Prothesen profitieren könnten) und der Umgang mit unrealistischen Erwartungen bei Forschungsteilnehmern, die neuartige Geräte bewerten. Der Entwicklungsverlauf der Prothetik und die Bewertung der Geräteverwendbarkeit stellen in der medizinischen Gemeinschaft erhebliche Bedenken dar. Während die Ankündigung neuer Prothesendesigns häufig zahlreiche Vorteile mit sich bringt, führt der Entwicklungsverlauf solcher Geräte häufig zu einer Prüfung der ethischen Auswirkungen von Prothesen.

Debatten

In der Prothetik-Community gibt es erhebliche Debatten über die grundsätzliche Entscheidung, ob Prothesen getragen werden sollen. Diese Diskussion wird häufig durch die Frage angeheizt, ob Prothesen das tägliche Leben wirklich verbessern oder umgekehrt zusätzliche Herausforderungen mit sich bringen. Zahlreiche Menschen haben sich erfolgreich an den Verlust von Gliedmaßen angepasst und alternative Strategien entwickelt, die eine Prothese für ihr tägliches Leben überflüssig machen. Nicht alle Amputierten entscheiden sich für das Tragen einer Prothese. Eine 2011 von Limbs 4 Life durchgeführte landesweite Umfrage unter australischen Amputierten ergab, dass 7 Prozent keine Prothese trugen, während eine separate australische Krankenhausstudie ergab, dass diese Zahl eher bei 20 Prozent lag. Viele Menschen berichten von Unwohlsein mit Prothesen und äußern eine Abneigung gegen das Tragen einer Prothese. Einige geben sogar an, dass das Tragen einer Prothese umständlicher sei als das Fehlen einer Prothese. In ihrem Buch „The Cancer Journals“ formulierte Audre Lorde ihre Gründe für die Entscheidung, nach einer Mastektomie keine Prothese zu tragen, und erklärte: „Prothesen bieten den leeren Trost von ‚Niemand wird den Unterschied bemerken‘.“

Bemerkenswerte Benutzer von Prothesen

Mythologische Figuren

Nuada, ein mythischer König, verlor im Kampf seinen Arm und erhielt anschließend einen silbernen Arm als Ersatz.

Visphala, der im Rigveda erwähnt wird, wird so dargestellt, dass er im Kampf ein Bein verliert und anschließend mit einem „Bein aus Eisen“ ausgestattet wird.

Referenzen

Quellen

Afghanische Amputierte berichten von ihren Erfahrungen bei einer Versammlung in Texas, Fayetteville Observer

Çavkanî: Arşîva TORÎma Akademî

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