Ein Semester an der CSUSB: Durchführung eines Kinesiologie-Kurses mit Artec Studio Lite

Kinesiologie-Studierende der CSUSB posieren mit dem Universitätsmaskottchen „Cody dem Kojoten“. Bild mit freundlicher Genehmigung der CSUSB.

Studierende der Kinesiologie erforschen an der California State University, San Bernardino (CSUSB) erforschen menschliche Bewegung, Sport, Gesundheit und körperliche Leistungsfähigkeit anhand praktischer Laborexperimente mit modernster Ausrüstung – und das alles im Herzen der Inland Empire Region Südkaliforniens.

Von Biomechanik bis hin zur Trainingsphysiologie bieten sich hier hervorragende Ausbildungsmöglichkeiten und Voraussetzungen für zukünftige Karrieren in der Physio- und Ergotherapie. Doch die technologische Entwicklung schreitet rasant voran, und ständig werden neue Methoden zur Analyse physiologischer Prozesse entwickelt – insbesondere in akademischen Umgebungen, in denen Querdenken aktiv gefördert wird.

Professionelles 3D-Scannen ist eine solche Methode. Geräte wie Artec Spider II ermöglichen die digitale Vermessung der menschlichen Anatomie für Beurteilungen, Morphologie-Tracking, Operationsplanung und noch vieles mehr. Allerdings ist diese Technologie für wissenschaftliche Mitarbeiter mit begrenztem Budget nicht immer erschwinglich.

Kinesiologie-Studierende bei praktischen Prüfungen im Hörsaal. Bild mit freundlicher Genehmigung der CSUSB.

Eine kostengünstige Alternative aber, die Lehrende jedem Studierenden zugänglich machen können, ist Artec Studio Lite: eine Software, die Fotos oder Videos (auch solche, die mit einem Smartphone aufgenommen wurden) in lebensechte 3D-Modelle umwandelt. Um die Anwendbarkeit der Technologie im Bereich der Kinesiologie zu testen, bot Cameron Van Wye, Dozent an der CSUSB, für seine Studierenden des Kurses Kine 2400 Applications of Technology in Kinesiology [Kine 2400 Anwendungen von Technologie in der Kinesiologie] ein einzigartiges Semester interaktiven Lernens ein.

„Als Kinesiologe bin ich überzeugt, dass spielerisches Lernen eines der besten Lehrmittel ist, die wir haben, und diese Überzeugung hat meine Herangehensweise an diesen Kurs grundlegend geprägt“, erklärt Cameron. „Ich habe mich von der vorlesungsbasierten Lehre hin zu einem projektorientierten und schülerzentrierten Ansatz entwickelt. Ein wichtiger Bestandteil dieser Umstellung ist der Einsatz spezieller 3D-Software im Lernumfeld.“

„Es geht nicht nur um den Einsatz moderner Technologien, sondern darum, Schülerinnen und Schüler mit realen Konzepten vertraut zu machen: Anatomie, Geometrie und die Veränderungen des menschlichen Körpers“, fügt er hinzu. „Am meisten begeistert mich die Selbstbestimmung, die den Schülerinnen und Schülern ermöglicht wird. Sie können ihren Interessen nachgehen, ihre Annahmen überprüfen und sich mithilfe der vorhandenen Werkzeuge ausdrücken. Die Lernumgebung belohnt Neugier. Lernen wird sinnlich, kreativ und selbstgesteuert.“

Artec Studio Lite im Seminarraum

Um die Studierenden mit der Technologie vertraut zu machen, entwickelte Cameron seinen Lehrplan in zwei Phasen: ein forschungsorientiertes Projekt im Unterricht und eine praxisorientiertere Phase mit 3D-Druck von Prototypen adaptiver medizinischer Vorrichtungen. Zunächst führten die Studierenden eine Machbarkeitsstudie durch – jedoch nicht, um die Leistungsfähigkeit von Artec Studio Lite zu bewerten, sondern um zu prüfen, ob die Technologie das Lernen unterstützen und die Analyse der Körperzusammensetzung ermöglichen könnte.

Um die Software zu testen, wurden bei 20 Freiwilligen Oberbauch, Bauchmitte, Taille und Hüfte mit einem herkömmlichen Gulick-Maßband vermessen und anschließend photogrammetrisch erfasst. Die Studierenden sorgten für gleichmäßige Ausleuchtung, um optimale Ergebnisse zu erzielen, und nutzten zunächst die in Artec Studio Lite standardmäßig verfügbaren Maßstabsleisten, um maßstabsgetreue (und somit messbare) Modelle zu erstellen.

Eine Freiwillige wird für ein Photogrammetrie-Projekt fotografiert. Bild mit freundlicher Genehmigung von CSUSB.

Danach verwendeten sie 3D-gedruckte Skalenleisten, die in Autodesk Fusion entworfen wurden, und sogenannte „Fake-Tattoos“, die von Freiwilligen getragen werden konnten, um sich auf bestimmte anatomische Bereiche zu konzentrieren. Interessanterweise wurden Fotos sowohl mit einer hochwertigen Kamera als auch mit einem Smartphone aufgenommen – wobei sich letzteres als schneller und einfacher in der Handhabung erwies. Die so gewonnenen Daten waren für die Erstellung präziser 3D-Modelle ausreichend.

Im Vergleich zu Messungen mit herkömmlichen Methoden wiesen die entstandenen digitalen Zwillinge eine sehr hohe dimensionale Übereinstimmung auf, was das Team zu der Einschätzung veranlasste, dass Artec Studio Lite großes Potenzial als Werkzeug für die angewandte Kinesiologie besitze. Noch wichtiger war jedoch, dass die Studierenden die Technologie als unkompliziert und intuitiv empfanden und sich so selbstständig das Analysieren physiologischer Daten aneignen konnten.

„Ich wusste bis zwei Wochen vor Kursbeginn gar nicht, dass es so etwas gibt“, sagte Kayla Miller, eine Studentin in Camerons Kurs. Zuerst dachte ich: „Oh, cool, das ist ja faszinierend. Prothesen und Orthesen per 3D-Druck herstellen. Ja, das ist wirklich unglaublich. Es ist einfach fantastisch, dass es diese Technologie schon gibt.“

Studierende erfassen ein Hilfsmittel für die 3D-Rekonstruktion in Artec Studio Lite. Bild mit freundlicher Genehmigung der CSUSB.

„Ich finde es fantastisch“, fügte Brianna Griffin, eine weitere Schülerin von Cameron, hinzu. „Ich habe mich schon immer für die menschliche Anatomie begeistert. Die Möglichkeit, Anatomie und praktisches Gestalten zu verbinden, finde ich super. Er [Cameron] hat uns im Unterricht etwas zu tun gegeben, was meinen Horizont enorm erweitert hat – und später konnte ich damit dann auch noch herumexperimentieren. Ich finde das wirklich spaßig. Ich denke, es hilft beim Verstehen.“

Maßgefertigte, 3D-gedruckte adaptive Vorrichtungen

Der zweite Teil des Kurses konzentrierte sich auf die Erarbeitung von am späteren Nutzer orientierten Entwürfen. In Zusammenarbeit mit Freiwilligen ermittelten die Teilnehmenden individuelle Bedürfnisse zur Verbesserung der Lebensqualität und entwickelten auf Basis von mit Artec Studio Lite erfassten 3D-Modellen Vorrichtungen, die jeweils mittels 3D-Druck gefertigt. Anfangs arbeiteten die Studierenden noch unter Anleitung, doch schon bald agierten sie zunehmend selbstständig und erzielten herausragende Ergebnisse.

Knöchel-Fuß-Orthese (AFO)

Für einen der Freiwilligen entwickelten Studierende eine individuell angepasste Unterschenkelstütze, die die Knöchel-Fuß-Positionierung, Stabilität und funktionelle Bewegung verbessern sollte. Sie machten dazu Fotos des Stumpfes und brachten hautfreundliche Marker an, damit Artec Studio Lite überlappende Bilder erkennen und die Anatomie hochpräzise rekonstruieren konnte. Anschließend exportierten sie das resultierende Modell als STL-Datei.

Der Prototyp der Knöchel-Fuß-Orthese für Studierende. Bild mit freundlicher Genehmigung der CSUSB.

In Meshmixer überprüfte das Team sein Polygonnetz anhand manueller Messungen, optimierte es und entwarf schließlich die Orthese, indem es versetzte „Schalen“ in wichtigen Stützbereichen des Unterschenkels und Fußes erstellte. Diese Schalen wurden miteinander verbunden, um die Orthesenstruktur zu bilden. So konnten die Studierenden vom Scan mit dem Smartphone bis zum individuell angepassten Hilfsmittel alles selbst umsetzen – es entstand damit ein vollständiger digitaler Workflow von der anatomischen Erfassung bis zur additiven Fertigung.

Vorrichtung zur Armverlängerung

Viele Formen von Kleinwuchs, wie beispielsweise Achondroplasie, gehen mit einem unverhältnismäßig kleinen Körperbau und verkürzten Gliedmaßen aufgrund von Wachstumsstörungen der längeren Knochen einher. Im Rahmen ihres Projekts zur Verlängerung eines Arms entwickelten die Schüler eine individuell angepasste Vorrichtung.

Diese dient als Reichweitenverlängerung und Lastverlagerungshilfe und lässt sich an den Griffen von Trainingsgeräten befestigen, ohne dabei Handgelenk, Hand oder Schulter in eine ungünstige Position zu bringen. Zur Anpassung des Prototyps wurde dieser mit einem hakenförmigen Handgriff versehen.

Studierende präsentieren ihre Vorrichtung zur Verlängerung eines Arms dem Rest des Kurses. Bilder mit freundlicher Genehmigung von CSUSB.

Dieses Mal nutzte das Team für die Aufnahmen ein Smartphone. Die entstandenen Fotos wurden anschließend in Artec Studio Lite extrahiert und zu einem Modell zusammengefügt, das in Autodesk Fusion als Referenz für Design, Größe und Ausrichtung diente. Der fertige Entwurf wurde dann in 3D-gedruckt und erfolgreich in verschiedenen Übungsbewegungen getestet. Diese Tests überstand die Vorrichtung erfolgreich, ohne dabei zu verrutschen, sich zu verbiegen oder zu brechen.

Unterschenkelprothese

In diesem Projekt wurde ein Unterschenkelabdruck auf einer Drehplattform platziert und mithilfe eines 4K-Smartphones digitalisiert. Die erfassten Daten wurden in Artec Studio Lite verarbeitet, woraus ein 3D-Modell entstand, das als Grundlage für die Schaftkonstruktion diente. Der Scan wurde in Meshmixer importiert, wo er bereinigt, beschnitten, geglättet und auf Löcher oder Verzerrungen überprüft wurde. Maße wie Beinlänge, -breite, Schaftöffnung und Kontur dienten der Sicherstellung der anatomischen Genauigkeit.

Ein Prototyp des von Studierenden entworfenen Unterschenkelprothesen-Designs. Bild mit freundlicher Genehmigung der CSUSB.

Der finale Prototyp wurde so konzipiert, dass er die Form des Stumpfes, die Wandstärke, abgerundete Kanten, druckempfindliche Bereiche, den Tragekomfort und die strukturelle Unterstützung berücksichtigt. Obwohl das Team eine Form anstelle eines tatsächlichen Stumpfes verwendete, zeigt der Erfolg dieses Projekts, wie Scannen und Fertigung mittels 3D-Druck eine schnellere, sauberere und individuell anpassbare Alternative zum traditionellen Abformen bieten.

Schutzorthese für das Knie

Um einem Freiwilligen mit Morbus Osgood-Schlatter, einer Erkrankung des Knochenvorsprungs unterhalb der Kniescheibe, zu helfen, entwickelten Studierende eine individuell angepasste Schutzorthese. Ziel war es, diesen Bereich bei körperlicher Aktivität zu schützen, ohne direkten Druck auf die schmerzhafte Vorwölbung auszuüben – eine anspruchsvolle Konstruktion, die präzise Kenntnisse der Anatomie des Knies erforderte.

Mithilfe von Artec Studio Lite verarbeitete das Team Videoaufnahmen aus dem vorderen, medialen und lateralen Bereich des Knies, um ein digitales anatomisches Modell zu erstellen. Dieses diente wiederum zur Anfertigung eines Modells, das die geplante Größe, Form und den Abdeckungsbereich der Vorrichtung veranschaulichte.

Ein 3D-Modell der von Studierenden entworfenen Knie-Orthese. Bild mit freundlicher Genehmigung der CSUSB.

Der finale Entwurf, entwickelt in Autodesk Fusion, wies eine ringförmige Entlastungszone auf, die über dem betroffenen Bereich einen offenen Raum schuf, sowie eine erhöhte Brückenstruktur, die die äußere Kraft auf das umliegende Gewebe ableitete. Als nächsten Schritt identifizierten die Studierenden geschäumtes TPU als ideales Material, um den Aufprallschutz weiter zu verbessern und die Haltbarkeit zu erhöhen.

Hilfsvorrichtungen zum Baumklettern

In einem ihrer einfallsreichsten Projekte entwarfen die Studierenden eine kostengünstige, aktivitätsspezifische Kletterhilfe für einen Freiwilligen mit einem Armstumpf. Nachdem ersten improvisierten Versuchen, indem sie einen Hundeschuh im Sinne besseren Halts modifiziert hatten, wollte das Team nun etwas entwickeln, das für die gestellte Aufgabe besser geeignet war: eine hakenförmige Befestigung zum Greifen kleiner Risse und Kletterflächen.

Bildschirmaufnahme des Kletterhilfsmittels der Studierenden. Bild mit freundlicher Genehmigung von CSUSB.

Dazu brachten die Studenten zunächst temporäre Tattoos an, um die Genauigkeit der Bewegungserfassung und -rekonstruktion zu verbessern, und verarbeiteten die Daten anschließend in Artec Studio Lite. In Meshmixer wurde die Kontaktfläche von Handgelenk und Gliedmaße unterteilt, Versätze erstellt und ein fingerartiger Haken für besseren Halt an Wänden hinzugefügt. Das aus PETG gedruckte Endprodukt zeigt, wie einfach Prothesen für verschiedene Aufgaben oder Hobbys individuell angepasst werden können.

Für immersives Lernen erprobt

Camerons praxisorientierter Ansatz im digitalen Entwerfen hat seine Studierenden dazu angeregt, über die passive Auseinandersetzung mit neuen Technologien hinauszugehen und angewandte Problemlösungskompetenzen zu entwickeln. Im Laufe des Kurses lernten sie, Arbeitsbedingungen im Labor, die Positionierung von Probanden, Oberflächenmarkierungen und die Skalierung zu optimieren – allesamt Fähigkeiten, die sie zukünftig bei der Analyse physiologischer Daten nutzen könnten.

Im Zuge der Entwicklung dieser neuen Fähigkeiten entwarfen die Studierenden nicht nur medizinische Vorrichtungen mit realen Anwendungsbereichen und unter Verwendung des 3D-Drucks, einer weiteren Technologie, die im medizinischen Bereich immer mehr an Bedeutung gewinnt: Sie demonstrierten auch das Potenzial von Photogrammetrie-Software wie Artec Studio Lite als kostengünstiges Mittel, um leistungsstarke, industrietaugliche Werkzeuge in den Unterricht einzubringen.

„Was sich im Frühjahrssemester 2026 ereignete, war etwas wahrhaft Seltenes: ein Zusammentreffen von Neugier, Kreativität und Zusammenarbeit, das eine einstündige, zweimal wöchentlich stattfindende Lehrveranstaltung in etwas weit Größeres als einen Kurs verwandelte. Es wurde zu einem gemeinsamen Erlebnis“, fügte Cameron hinzu.

„In diesen Momenten verschwamm die Grenze zwischen Lehre und Inspiration vollständig, und was blieb, war das unverwechselbare Gefühl, gemeinsam, mit jedem einzelnen Studierenden, etwas Sinnvolles, eine bessere Zukunft aufzubauen.“