Die eingebettete Elektronik im intelligenten Bauteil erfasst die Sensordaten.
Foto: Eos

Kreative Zone

Intelligente Knieorthese durch 3D-Druck und Sensorik

Mittels industriellem 3D-Druck und Sensorik wurde diese intelligente Knieorthese konstruiert. So viel Potenzial steckt in diesem Prototypen.

Durch die Kombination von industriellem 3D-Druck, eingebetteter Sensorik sowie Konnektivität haben Eos und Blackbox Solutions eine maßgeschneiderte, intelligente Knieorthese entwickelt. Sie liefert Daten zur Kniebelastung in Echtzeit und hilft so, den Heilungsprozess zu verbessern. Damit zeigt die Machbarkeitsstudie das große Potenzial intelligenter Bauteile und Anwendungen und verdeutlicht den Mehrwert additiver Fertigung.

Die Vorteile von Sensorik und 3D-Druck

Vereint man mechanische Designelemente mit eingebetteter Elektronik wie Mikrocontrollern, Sensoren und Konnektivität via Radiofrequenz (RF), wird dies heute als intelligente Bauteile – „Smart Parts“ – bezeichnet. Diese Bauteile ermöglichen ein maßgeschneidertes Produktdesign, das mittels hochpräziser, sicherer Datenübertragung in Echtzeit die Anforderungen spezifischer Nutzergruppen adressiert.

Die additive Fertigung wiederum liefert unter anderem eine sehr hohe Gestaltungsfreiheit bei präziser Konstruktion sowie die Möglichkeit zur Funktionsintegration von Sensoren zur schnellen und gleichzeitig wirtschaftlichen Fertigung maßgeschneiderter Bauteile. Das erlaubt eine verkürzte Anlaufzeit für die Kleinserienproduktion und eine schnelle Markteinführung.

Eine neuartige Lösung für ein altbekanntes Problem

Dieser Ansatz lässt sich am Beispiel einer der häufigsten Knieverletzungen unter Beweis stellen: dem Kreuzbandriss. Verletzungen wie diese ziehen für gewöhnlich eine lange Genesungszeit nach sich, verbunden mit dem Risiko einer nur sehr zögerlichen Heilung oder sogar dauerhaften Beeinträchtigung. Die Gründe dafür sind in der Regel falsche Bewegungen oder eine zu starke Belastung des Knies während des Heilungsprozesses. Die Lösung wäre, Patienten direkt Rückmeldung bei falscher Belastung zu geben, ohne jedoch die Bewegungsmöglichkeiten massiv einzuschränken.

Dazu dient der Prototyp der intelligenten Knieorthese

Vor diesem Hintergrund haben die 3D-Druckspezialisten von Eos Additive Minds gemeinsam mit den Sensorik-Experten von Blackbox Solutions eine anpassbare, additiv gefertigte Knieorthese entwickelt, die mit integrierten Sensoren, der Fähigkeit zur Datenverarbeitung und RF-Konnektivität ausgestattet ist. Der Prototyp zeigt, wie die verschiedenen Akteure rund um ein intelligentes Produkt wertvolle Echtzeiteinblicke durch Sensordaten erhalten und wie diese für alle Beteiligten vorteilhaft genutzt werden können.

Die primären Anforderungen an die Knieorthese wurden durch Interviews mit allen direkt oder indirekt beteiligten Nutzern ermittelt: Man befragte Patienten, Ärzte und Medizingerätehersteller, welche Daten beziehungsweise Informationen dazu beitragen würden, die Patientenerfahrung und die ärztliche Versorgung zu verbessern.

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Die eingebettete Elektronik im intelligenten Bauteil erfasst die Sensordaten.

Aufbau und Funktionsweise der Orthese

Der entwickelte Prototyp besteht aus einer eingebetteten technischen Lösung, die sowohl das Nachrüsten bei einer vorhandenen Knieorthese mittels einem additiv gefertigten, maßgeschneiderten Ersatzgehäuse erlaubt als auch die direkte Integration in eine komplett additiv gefertigte Orthese. In allen Anwendungsfällen ist das kompakte Format der Sensoren platzsparend und unterstützt damit die Leichtigkeit und Ergonomie der Knieorthese insgesamt. Die gewählte Sensortechnologie für Winkel- und Kraftmessungen vereint Präzision mit einem berührungslosen Konzept, was die Integration vereinfacht. WiFi und Bluetooth-Low-Energy-Kommunikation erlauben ein Echtzeit-Monitoring. Dieses kann entweder über eine direkte WLAN-Verbindung mit der Knieorthese, oder über ein mobiles Gerät (z.B. ein Smartphone) als Benutzerschnittstelle und Controller, gesteuert werden.

Die Datenanalyse erfolgt dann entweder auf Remote-Servern, über eine Anwendung auf einem lokalen mobilen Gerät und/oder direkt über den in der Knieorthese eingebetteten Prozessor. Wichtig ist, dass die sensiblen Daten der Nutzer auf sichere Weise vor Ort verarbeitet werden können und somit die Bestimmungen hinsichtlich Datenschutz und Privatsphäre erfüllt sind. Der Datenzugriff sowie die Analyse und Sicherung der gesammelten Informationen erfolgt über Schnittstellen, die auf die Bedürfnisse und Anforderungen der verschiedenen Nutzergruppen zugeschnitten sind.

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Eine App übermittelt die Sensordaten der intelligenten Knieorthese nach nutzerspezifischen Anforderungen.

Batteriebetriebene Sensoren und vernetzte Software-Anwendungen können Patienten und Ärzte dabei unterstützen, die richtige Kniebelastung und den damit unterstützten Heilungsprozess in Echtzeit zu verfolgen und Reha-Maßnahmen nach den individuellen Patientenbedürfnissen auszurichten. Die vom intelligenten Bauteil eingehenden Echtzeitdaten ermöglichen den Herstellern einen unmittelbaren Einblick in die Nutzung und Leistung ihrer Produkte, so dass zukünftige Versionen verfeinert und verbessert werden könnten. Krankenkassen und Gesundheitsbehörden wiederum könnten die Daten nutzen, um bessere statistische Berichte über Krankheitsfälle zu erstellen.

Das Potenzial von intelligenten und vernetzten Komponenten

Der Orthesenprototyp mit seiner intelligenten Beobachtung des Kniegelenks zeigt an einem konkreten Beispiel das Potenzial, das in der Kombination von additiver Fertigung, Sensorik und Konnektivität liegt. Der industrielle 3D-Druck liefert dabei entscheidenden Beitrag: Dazu gehören die hohe Gestaltungsfreiheit auch bei einem kompakten und präzisem Design sowie die funktionale Integration von Sensoren. Letzteres ermöglicht, individualisierte Produkte in relativ kleinen Mengen schneller und ökonomischer herzustellen und gleichzeitig die Funktionalität des physischen Produkts kundenspezifisch zu optimieren.

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