3D-Printed Adjustable Thoracolumbar Brace Based on Customized Body Measurements, Featuring Front-to-Back Donning, Using a Parametric and Web-Based Design Approach

Rückenschmerzen sind eine universelle menschliche Erfahrung, die Millionen von Menschen weltweit betreffen und oft zu einer Abhängigkeit von medizinischen Hilfsmitteln führen, die die Wirbelsäule stützen sollen. Unter diesen Geräten ist die Thorakolumbalorthese eine starre Schale, die um den Oberkörper getragen wird, um den Rücken nach einer Operation oder während der Genesung von Frakturen zu stabilieren. Obwohl diese Brassen eine entscheidende Unterstützung bieten können, leiden die traditionellen Versionen häufig unter erheblichen Nachteilen. Sie sind oft klobig, unbequem und schwierig anzulegen, insbesondere für Patienten, die bettlägerig sind oder eine eingeschränkte Mobilität aufweisen. Darüber hinaus war die Herstellung einer maßgeschneiderten Orthese, die der einzigartigen Körperform einer bestimmten Person entspricht, historisch gesehen ein langsamer und ressourcenintensiver Prozess, der normalerweise teure dreidimensionale Scanner und spezialisierte Techniker erforderte, um die Hautoberfläche des Patienten abzubilden. Diese Lücke zwischen dem Bedarf an personalisierter Pflege und den praktischen Schwierigkeiten bei deren Umsetzung hat dazu geführt, dass viele Patienten mit schlecht sitzenden Geräten konfrontiert sind, die schwer zu benutzen sind.

Ein Team von Forschern setzte sich zum Ziel, diese Probleme zu lösen, indem es den gesamten Prozess der Herstellung einer Wirbelsäulenorthese neu dachte und sich von komplexen Scanning-Geräten hin zu einer Methode wandte, die Standard-Röntgenaufnahmen und ein webbasiertes Designsystem nutzt. Ihr Ziel war es, eine maßgeschneiderte Orthese zu entwickeln, die nicht nur perfekt an den Körper des Patienten angepasst ist, sondern auch von vorne leicht anzulegen ist – ein Merkmal, das besonders wichtig für diejenigen ist, die sich im Bett nicht leicht aufsetzen oder umdrehen können. Durch die Kombination von routinemäßigen Krankenhausmessungen mit modernen digitalen Werkzeugen entwickelten sie einen Arbeitsablauf, der einfache Daten in einem Bruchteil der Zeit, die bisher erforderlich war, in ein druckbares medizinisches Gerät verwandelt.

Die Forscher begannen mit der Rekrutierung von fünf Patienten, die sich kürzlich einer Wirbelsäulenoperation unterzogen hatten. Anstatt einen Handscanner zu verwenden, um die Form ihrer Oberkörper zu erfassen – was normalerweise etwa dreiundzwanzig Minuten inklusive der Zeit für die Verarbeitung der digitalen Daten dauert –, nutzte das Team einen viel einfacheren Ansatz. Sie machten Standard-Röntgenaufnahmen der Rücken und Seiten der Patienten an drei spezifischen Stellen des Oberkörpers. Aus diesen Bildern maßen sie die Breite und Tiefe des Körpers an diesen Punkten. Um sicherzustellen, dass sich diese flachen Bilder präzise in eine dreidimensionale Form übersetzen ließen, fügten sie eine einfache, direkte Messung hinzu: den Taillenumfang des Patienten. Diese Zahlen wurden dann in ein Computerprogramm eingespeist, das automatisch ein digitales Modell des Oberkörpers des Patienten erstellte. Dieser gesamte Prozess, von der Entnahme der Messwerte bis zur Erstellung des fertigen Designs, dauerte im Durchschnitt nur etwas über drei Minuten.

Sobald das digitale Modell des Oberkörpers erstellt war, generierte die Software eine maßgeschneiderte Orthese, die um den Körper des Patienten herumgeführt werden sollte. Im Gegensatz zu herkömmlichen Brassen, die sich auf der Rückseite öffnen und die es erfordern, dass der Patient sich dreht oder rollt, um sie anzulegen, verfügt dieses neue Design über eine Öffnung auf der Rückseite, wird aber von vorne angelegt. Der Patient oder eine Pflegekraft kann die Orthese einfach um den Oberkörper legen und fixieren, was eine wesentlich einfachere Aufgabe für jemnt ist, der in einem Krankenhausbett liegt. Die Orthese selbst besteht aus einer einzigen, massiven Schale aus einem starken, flexiblen Kunststoffmaterial, die Schicht für Schicht mit einem 3D-Drucker gedruckt wird. Sie enthält verstellbare Riemen, die es dem Träger ermöglichen, den Druck und die Unterstützung, insbesondere im Bereich des unteren Rückens, fein abzustimmen, um sie an seine spezifischen Bedürfnisse anzupassen.

Die Ergebnisse dieser neuen Methode waren beeindruckend. In Tests sank die Zeit, die vom Datenerfassungsprozess bis zum fertigen Design benötigt wurde, drastisch von fast dreiundzwanzig Minuten auf nur etwas über drei Minuten. Als die Forscher die aus den Röntgenaufnahmen generierte Form der Orthese mit einem Modell verglichen, das mit einem herkömmlichen 3D-Scan erstellt wurde, stellten sie fest, dass die beiden sehr nah beieinander lagen, wobei der durchschnittliche Formunterschied klein genug war, um klinisch akzeptabel zu sein. Wichtiger noch war, dass die Patienten, die die neue Orthese ausprobierten, eine deutlich bessere Erfahrung berichteten. Sie konnten die Orthese in weniger als der Hälfte der Zeit an- und ausziehen, die sie mit herkömmlichen Modellen benötigten. Sie bewerteten das neue Gerät zudem höher in Bezug auf Atmungsaktivität und die einfache Handhabung im Liegen. Obwohl die Studie klein war und nur fünf Patienten umfasste, zeigten die Daten klare statistische Verbesserungen hinsichtlich der Geschwindigkeit und des Komforts bei der Nutzung der Orthese.

Diese Arbeit zeigt, dass hochgradig personalisierte medizinische Versorgung nicht immer teure, spezialisierte Hardware erfordert. Durch die Nutzung von Werkzeugen, die in Krankenhäusern bereits weit verbreitet sind, wie etwa Röntgengeräte, und deren Verbindung mit automatisierter Designsoftware, schufen die Forscher ein „Clinic-to-Print“-System, das schnell, effizient und zugänglich ist. Die Studie legt nahe, dass dieser Ansatz die maßgeschneiderte Wirbelsäulenversorgung zu einem Routinebestandteil der alltäglichen medizinischen Versorgung machen könnte, indem er die Barrieren von Kosten und Komplexität abbaut, die solche personalisierten Lösungen bisher für viele unerreichbar gemacht haben. Während die aktuelle Version der Orthese ein einzelnes, massives Stück ist, das sperrig zu transportieren sein kann, und die langfristige Haltbarkeit noch bestätigt werden muss, deutet der Erfolg dieser Pilotstudie auf eine Zukunft hin, in der der Erhalt einer perfekt sitzenden, leicht zu bedienenden Wirbelsäulenstütze so einfach ist wie das Durchführen weniger Messungen und das Drücken eines Knopfes.