Artec Eva ermöglicht Kindern in Guatemala erschwingliche Prothesen

Zusammenfassung: Ein gemeinnütziger Verein, der sich auf Prothetik für Kinder spezialisiert hat, suchte nach einem optimalen Weg, neue, individuell gestaltete Arme, Beine, Hände und Füße zu sehr niedrigen Kosten zu entwickeln. Die Prothesen sollten langlebig genug sein, um den harten Bedingungen im ländlichen Guatemala standzuhalten.

Das Ziel: Mit einem tragbaren 3D-Scanner verschiedene Extremitäten digital zu erfassen, die Scans zu verarbeiten, dann kundenspezifische 3D-Modelle von Prothesen in Geomagic Freeform und Fusion 360 zu entwerfen, diese an 3D-Drucker weiterzuleiten und schließlich an den Patienten anzupassen.

Verwendete Werkzeuge: Artec Eva, Geomagic Freeform, Fusion 360

3D-Technologie ermöglicht Prothesen, die nicht nur erstaunlich wenig kosten, sondern auch hohen Temperaturen, extremer Luftfeuchtigkeit, Schmutz und starker Beanspruchung standhalten

In Yaris Dorf mitten im Dschungel des nördlichen Guatemala, unweit von antiken Maya-Pyramiden, brach ein neuer Tag an. Das Mädchen hörte, wie die anderen Kinder sich auf den Schulweg machten. Vor ihnen lagen viele Kilometer holpriger Straßen und felsenübersäter Pfade, überwuchert von Wurzeln und Lianen.

Diese Kinder hatten Glück. Die meisten anderen Jungen und Mädchen aus dem Dorf gingen zusammen mit ihren Eltern in die Kaffeeplantagen, auf die Felder mit Zuckerrohr oder Mais, um die Familie ernähren zu können.

Das Mädchen Yari

Nur Yari würde weder zur Schule noch auf die Felder gehen, nicht heute noch an einem anderen Tag. Denn Yari verlor in jungen Jahren ihr Bein in Folge einer Krebserkrankung – in Guatemala die Verurteilung zu einem tristen Leben: Der Höhepunkt ihres Tages war der Abend, wenn ihre Mutter erschöpft von der Arbeit heimkehrte und mit Yari nach draußen ging, wo sie auf ihre Krücken gestützt die Dorfstraße entlang humpeln konnte. Die restliche Zeit stampfte sie Mais, mahlte Kaffee, zerkleinerte mit einer kleinen rostigen Machete Holz auf dem Boden oder kehrte die vom Herdfeuer verrauchte, aus Betonblöcken gebaute Hütte aus.

Das war das Leben, wie Yari es kannte. Selbst wenn sie jemanden gefunden hätte, der ihr eine Prothese angefertigt hätte, wären die erforderlichen 15.000 Dollar bei einem Monatseinkommen zwischen 50 und 70 Dollar für ihre Familie unerschwinglich gewesen.

In einer Gegend mit einer Arbeitslosenquote von 66 Prozent, wo die Hälfte aller Kinder unter fünf Jahren unter Mangelernährung leidet und bittere Armut die Norm ist, war Yaris Familie schon froh, täglich genug Essen auf dem Tisch zu haben.

Ein typischer Küchenherd im ländlichen Guatemala

Eines Tages hörten Yaris Eltern von dem kostenlosen Krankenhaus Hospital Shalom im fernen San Benito. Die Leute erzählten sich, dass Kinder wie Yari dort Prothesen erhalten würden. Dieser Tag änderte das Leben des Mädchens von Grund auf.

Das Krankenhaus Hospital Shalom

Yaris Familie beschloss, sich auf den langen und beschwerlichen Weg nach San Benito zu machen. Nur wenige Stunden nach ihrer Ankunft in der Klinik wurde ihr nach einer Untersuchung eine Prothese angepasst und sie wagte die ersten Schritte ihres jungen Lebens.

Yari und Meredith Wright

Seither ist Yaris Leben voller Hoffnung. Sie besucht die Schule und hat große Pläne: Sie will Lehrerin werden.

Mit der Unterstützung ihrer Familie und des Teams vom Shalom Krankenhaus scheint sie nichts aufhalten zu können.

Yari mit ihrer Beinprothese

Yari und ihre Eltern

Das Hospital Shalom wurde von zwei Missionaren aus den USA gegründet, Tim und Doris Spurrier, die sich eines Tages mit ihren beiden Kindern in Ohio in den Wagen setzten und fünf Tage lang Richtung Süden fuhren. Als sie in Guatemala ankam, fühlte sich die Familie "endlich zuhause".

Nach einiger Zeit beschlossen die Spurriers, in ihr kleines Krankenhaus eine Prothesenklinik zu integrieren, und luden dazu 2006 den zertifizierten Prothetiker und Orthetiker Brent Wright ein. Wright war von ihrer Idee begeistert und richtete umgehend die erste und einzige Orthopädieklinik in Guatemala ein.

Brent Wright mit einer von ihm entworfenen Prothese

Die wachsende Auslastung der Klinik und der Wunsch, Prothesen auch in anderen Entwicklungsländern erschwinglich zu machen, gipfelte darin, dass Wright 2015 zusammen mit Unterstützern die gemeinnützige Organisation LifeNabled ins Leben rief.

Doch kehren wir einen Augenblick ins Jahr 2006 zurück. Schon bei seinem ersten Besuch in Guatemala hatte Wright erkannt, dass die in den USA hergestellten Prothesen mit Preisen zwischen 5.000 und 100.000 Dollar dort nicht nur unerschwinglich waren, sondern für den Einsatz im ländlichen Guatemala auch nicht robust genug. Die hohen Temperaturen, die extreme Luftfeuchtigkeit, der Schmutz und schließlich die starke Beanspruchung stellten für die Produkte, die für eine ruhigere Lebensweise konzipiert waren, eine zu hohe Belastung dar.

Zurück in den USA setzte sich Wright mit Frank Hodges zusammen, dem Eigentümer des Prothesenherstellers SunStone Lab. Gemeinsam tüftelten sie an einer Produktionsmethode, mit der Prothesen nicht nur erschwinglich, sondern auch individuell anpassbar und besonders stabil wären.

Nachdem sie die Herstellungsarten und Materialien über die Jahre optimiert hatten, sind sie inzwischen in der Lage, maßgeschneiderte und robuste Prothesen zu erstaunlich geringen Kosten zu fertigen. Heute ist eine Fußprothese für 50 Dollar zu haben, eine Knieprothese für 70 Dollar, eine Unterschenkelprothese für 150 Dollar und eine Oberschenkelprothese für 300 Dollar.

Besonders eklatant fiel der Unterschied aus, als die Produktion 2016 auf 3D-Druck umgestellt wurde: Lagen allein die Materialkosten für eine Armprothese davor noch zwischen 800 und 1.200 Dollar, machen sie beim 3D-Druck nur noch einen Bruchteil dieser Summe aus. „Heute kostet das Material für eine unserer Armprothesen etwa vier Dollar“, so Wright.

Zwei Prothesen von LifeNabled

Sein Traum ist es, dass sich jeder, der eine Prothese braucht, ein Exemplar leisten kann – besonders in armen Regionen, wo es im ganzen Land nur einen oder zwei Orthopädietechniker gibt.

Wright ist davon überzeugt, dass die Zeit für eine Revolution auf dem Gebiet der Prothetik gekommen ist: „In den letzten 18 Monaten hat sich das Material im 3D-Druck so rasant verändert, dass es sich nun bestens für leistungsfähige und haltbare Prothesen eignet.“

Funktional, komfortabel und modisch

Bei der herkömmlichen Prothesenherstellung wird mithilfe eines GFK-Abdrucks eine Gipsform der betroffenen Gliedmaße angefertigt. Diese Form wird dann geschliffen und angepasst, d.h. es werden Unebenheiten ausgeglichen, Stellen dicker oder dünner modelliert und Belastungspunkte angepasst.

Formgebung bei einem Gipsmodell

Neben Messschieber, Lineal kommen hier weitere Messmethoden zum Einsatz. Danach wird ein dicker Bogen Copolymerkunststoff im Ofen erhitzt, bis er biegsam ist. Schließlich wird er herausgenommen und sofort über die Gipsform gezogen.

Der abgekühlte Kunststoff wird abgezogen und vakuumversiegelt, damit er die Form des Gipses behält. Diese Plastikform nennt man „Testschaft“. Sie wird für Anproben und Anpassungen verwendet, um einen endgültigen Schaft aus Carbonfaser oder einem ähnlichen Kunststoff zu fertigen.

Feinarbeit an einem Gipsmodell

„Die traditionelle Herstellungsweise ist extrem arbeitsintensiv“, so Wright.

Neue Prothesen, fertig für die Anprobe

Auf der Suche nach einer unkomplizierteren Lösung stieß er auf das 3D-Scannen und den professionellen 3D-Handscanner Artec Eva. Dieser Scanner, der in verschiedensten Branchen – vom Gesundheitswesen bis zum Reverse Engineering– für die digitale Erfassung von Objekten in hoher Auflösung eingesetzt wird, bedeutete für Wright und seine Klinik den Durchbruch.

Doch mit dem richtigen Scanner allein war es noch nicht getan. Wright hat sich bei seiner Arbeit mit Prothesen höchster Präzision verschrieben.

Brent, Yari und Meredith

„3D-Scannen ist toll, um Formen zu erfassen. Geht es jedoch darum, unter Belastung stehende Formen oder das darunterliegende Gewebe zu erfassen, sieht die Sache anders aus. Deshalb möchte ich auf einen guten Abdruck nicht verzichten“, sagt Wright. „Inzwischen haben wir verschiedene Verfahren entwickelt, um das Äußere oder Innere eines Abdrucks zu scannen. So erhalten wir die darunterliegende Anatomie und die tatsächliche Größe des Köperglieds unter Belastung.“

Carlitos neues Bein

„Jeder direkte Scan eines Patienten führt zu einem Ratespiel, wie die darunterliegende Anatomie aussieht und wie sich die Gliedmaße bei Belastung verformt. Doch wenn es um Prothesen geht, ist Raten keine gute Option“, so Wright zum Thema berührungsloses 3D-Scannen.

Meredith und Jazmin

„Artec Eva ist unglaublich – aber noch beindruckender ist die Software, Artec Studio“, so Wright. „Nachdem der Abdruck fertig ist, schneide ich ihn in zwei Hälften, die ich in wenigen Minuten mit Eva erfasse. Dann füge ich die beiden Scans in Artec Studio zu einem präzisen 3D-Modell zusammen. So nutze ich die Vorteile beider Ansätze: Erst erhalte ich durch den unter Belastung genommenen Abdruck des Stumpfes eine genaue Darstellung der Gegebenheiten und dann erstelle ich davon einen präzisen 3D-Scan. Das Ergebnis ist ein 3D-Modell, das anatomisch korrekt ist und den Umfang des Stumpfes genau wiedergibt. Ein berührungsloser Scan kann dies schlicht nicht leisten.“

Anpassen neuer Prothesen im Hospital Shalom

„Artec Eva scannt das Innere der Abdrücke besser als jedes Modell, das wir getestet haben. Die Ergebnisse sind fehlerlos – das schafft kein anderer 3D-Scanner“, so Wright.

Anders als beim zeit- und arbeitsintensiven traditionellen Verfahren, sind bei der von Wright entwickelten Lösung vor dem Scannen nur wenige Schritte nötig: Von dem betroffenen Körpergliedwird ein GFK-Abdruck genommen, der mit Markierungen versehen wird, um etwa Knochenvorsprünge, Kniescheibe, Druckstellen und ähnliches zu kennzeichnen. Nachdem der Abdruck drei bis vier Minuten getrocknet ist, wird er aufgeschnitten und für das Scannen vorbereitet.

Beim Scannen wird das Objekt in Echtzeit direkt in Artec Studio auf dem Monitor angezeigt. Damit sieht man sofort, wie innerhalb weniger Sekunden der gesamte Abdruck erfasst wird. Nun werden die beiden Scans zu einem Modell zusammengefügt und in andere Anwendungen, zum Beispiel eine CAD/CAM-Software, übertragen.

“Ich exportiere das Modell als OBJ-Datei in Geomagic Freeform, das für die anfallenden Gestaltungs- und Anpassungsaufgaben ideal geeignet ist. Durch die Kombination mit einem haptischen Gerät, kann ich Kurven und Unebenheiten mit der Hand spüren. Das ist einfach irre“, so Wright.

Zudem nutzt er Fusion 360, um Gelenke und andere individuelle Merkmale zu entwerfen. Auch wenn die traditionelle Prothesenherstellung immer gefragt bleiben wird, hat das 3D-Scanning für LifeNabled eine ganz neue Welt eröffnet, die nicht nur Wrights Arbeitsweise, sondern auch seine Geschwindigkeit und Flexibilität revolutioniert hat.

„Das Fantastische an dieser Methode ist, dass ich sie buchstäblich überall anwenden kann. Sobald der Scan-Vorgang abgeschlossen ist – und das geht schnell – kann ich mich mit meinem Laptop sogar vor den Fernseher setzen und die Gestaltungsarbeit dort erledigen“, so Wright.

Das Entwerfen einer neuen Prothese

„In unserem Klinikalltag bedeutet dies, dass ein Patient schon nach einer Stunde seine Prothese erhält.“

Dennoch bleiben immer noch Wünsche offen. Das Krankenhaus braucht weiter Techniker, die in der Lage sind, Prothesen anzufertigen – eine Tätigkeit, die auf den ersten Blick nicht schwer zu sein scheint, in Wirklichkeit jedoch extrem anspruchsvoll ist. Mindestens ein Jahr praktische Schulung und zahlreiche Außeneinsätze sind Voraussetzung. „Die Praxis ist enorm wichtig“, so Wright. „Mit theoretischem Wissen allein kommt man nicht weiter.“

„Das Problem besteht darin, die Leute nach ihrer Ausbildung zu halten. Mit den bei uns erworbenen Kenntnissen sind sie sowohl im Inland als auch im Ausland gefragt. Dann kommen sie überall unter.“

Dies bedeutet, dass LifeNabled ständig auf der Suche nach Freiwilligen ist, die in der Klinik mithelfen – egal ob Einheimische oder Leute aus dem Ausland. Je mehr Patienten und Einsatzorte dazu kommen, desto dringender ist die Klink auf Geld- und Sachspenden von Organisationen und Einzelpersonen angewiesen.

Anpassen einer Unterarmprothese

Seit 2006 reisen Brent Wright und seine Frau Meredith zwei Mal jährlich nach Guatemala. Im Gepäck haben sie so viel Ausrüstung wie möglich: Artec Eva, zwei 3D-Drucker (Filament Innovations), ein hochleistungsfähiger Alienware Laptop, Prothesenrohre aus Aluminium, Filamente für die 3D-Drucker (Carbonfaser-PETG, PETG, Polycarbonat etc.), Knieprothesen, Niagara Fußprothesen, Glasfaser für die Herstellung von Abdrücken und vieles mehr. Während ihres einwöchigen Aufenthalts helfen sie gemeinsam mit dem Klinikteam 40 bis 50 Patienten, indem sie neue Prothesen bauen, ältere Modelle reparieren oder Anpassungen vornehmen. In dieser Zeit werden im Durchschnitt 30 bis 40 neue Prothesen entworfen, gefertigt und angepasst, sodass die Patienten die Klinik selbständig verlassen können. Am Ende lassen die Wrights zudem Ersatzteile zurück, damit das Klinikpersonal kleine Reparaturen selbst vornehmen kann.

Im Laufe der Jahre hat das Hospital Shalom über 400 Patienten in Guatemala mit Prothesen versorgt. Viele der behandelten Kinder stehen heute an der Schwelle zum Erwachsenenalter. Die ehemals chancenlosen Jungen und Mädchen, die sich oft wertlos vorkamen, sich schämten oder sogar als verflucht galten, sind heute Lehrer, Ärzte, Geschäftsleute oder Arbeiter.

Veronica auf dem Weg zur Arbeit

Sie können ihre Träume verwirklichen, und das ist keine schlechte Leistung in diesem armen, von Regenwald und Vulkanen geprägten Land mit seinen verfallenden Maya-Tempeln. Diesen jungen Leuten und ihren Familien schenkten die neuen Arme und Beine frischen Mut, Selbstbewusstsein und ein neues Leben.

LifeNabled hat noch viel vor. Die gemeinnützige Organisation will CE-zertifizierte Kurse für den 3D-Druck von Prothesen anbieten. Zudem plant sie ein Schulungsprogramm, durch das Organisationen erfahren, wie sie bedürftige Menschen weltweit mit Prothesen versorgen können. LifeNabeld hat sich dem Ziel verschrieben, neben umfassenden Schulungen auch die erforderliche Ausrüstung zur Verfügung zu stellen, damit Menschen mit Amputationen auf der ganzen Welt unabhängig von ihrem Einkommen oder Wohnort in den Genuss von Prothesen kommen.