Vom Fingerspitzengefühl zum digitalen Zwilling: So verändert sich die Prothese

Wie Sensoren, KI und 3D-Druck Prothesen verändern: Messdaten fließen zunehmend direkt in Konstruktion, Anpassung und Fertigung ein.

Myoelektrisch gesteuerte Handprothese von Ottobock: Sensoren erfassen elektrische Signale der Muskulatur und übersetzen sie in Bewegungen der Prothese. Solche Systeme zeigen, wie eng Sensorik, Steuerungstechnik und individuelle Anpassung in der modernen Orthopädietechnik zusammenspielen.

Foto: picture alliance/dpa | Swen Pförtner

Eine Prothese entsteht noch immer zu einem großen Teil aus Erfahrung und Fingerspitzengefühl. Doch genau das verändert sich: Sensoren messen Druck, Bewegung und Gewebeeigenschaften, digitale Modelle bündeln die Daten – und erste Verfahren nutzen sie bereits direkt für Konstruktion und 3D-Druck. Aus dem handwerklichen Anpassen wird damit zunehmend ein datenbasierter Prozess.

Wenn die Hand zum Messinstrument wird
Aus Erfahrung werden Daten
Der Körper liefert immer mehr Messwerte
Die Ganganalyse verlässt das Labor
Langzeitmessung schlägt Labordaten
Wenn aus Messwerten Entscheidungen werden
Die Prothese reagiert auf ihren Träger
Vom Messwert zum digitalen Zwilling
Die Werkstatt wird digital
Leichter, aber trotzdem belastbar
Nicht jede Zahl ist vergleichbar
Der Mensch bleibt Teil des Messsystems
Aus Handwerk wird Hightech-Handwerk

Wenn die Hand zum Messinstrument wird

Drücken, tasten, fühlen: Soll eine Prothese individuell angepasst werden, sind die Hände des Orthopädietechnikers und der -technikerin bis heute wichtige Werkzeuge. Wie fest sitzt das Gewebe am Amputationsstumpf? Wo gibt es nachgiebige Stellen, wo liegen empfindliche Knochenstrukturen dicht unter der Haut? Aus diesen Informationen entsteht die Form des Prothesenschaftes – jener Verbindung zwischen Mensch und Technik, die im Alltag möglichst bequem sitzen und gleichzeitig Kräfte zuverlässig übertragen soll.

Vieles davon beruht auf Erfahrung. Gute Orthopädietechniker und -technikerinnen spüren, was später funktionieren könnte. Was die Finger ertasten, lässt sich bislang nur schwer in objektive Zahlen übersetzen oder an Kolleginnen und Kollegen weitergeben. Genau das beginnt sich zu ändern.

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Aus Erfahrung werden Daten

Ein Beispiel dafür ist das Forschungsprojekt HapticScan der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), an dem unter anderem Ottobock und die OTH Amberg-Weiden beteiligt waren. Die Forschenden entwickelten ein mobiles Verfahren, das die bisher von Hand vorgenommene Untersuchung des Gewebes quantifizierbar machen soll. Dafür werden Daten zur Gewebebeschaffenheit mit einem dreidimensionalen Oberflächenscan zusammengeführt.

So entsteht nicht nur ein digitales Abbild der äußeren Form. Das Modell enthält zusätzlich Informationen darüber, wie sich das darunterliegende Gewebe verhält. Das Forscherteam spricht von einem „Human Digital Twin“. Er könnte künftig eine präzisere Grundlage für die Konstruktion individueller Prothesenschäfte liefern und zugleich helfen, Versorgungsschritte nachvollziehbar zu dokumentieren.

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Der Körper liefert immer mehr Messwerte

Die Gewebebeschaffenheit ist dabei nur eine von vielen Größen, die sich erfassen lässt. Drucksensoren können beispielsweise zeigen, wie Kräfte unter dem Fuß oder zwischen Körper und Hilfsmittel verteilt sind. Kamerasysteme und Inertialsensoren erfassen Bewegungsabläufe, Schrittlänge oder Gangphasen. Thermografische Verfahren wiederum können Temperaturunterschiede sichtbar machen.

Damit verändert sich die Basis der Orthopädietechnik. Neben die Beobachtung durch Arzt oder Ärztin, Therapeutinnen und Therapeuten sowie Orthopädietechniker und -technikerinnen plus Rückmeldung der Betroffenen treten Messreihen, Kurven und digitale Bewegungsmodelle. Die Technik soll die Erfahrung dabei nicht zwangsläufig ersetzen. Sie macht jedoch sichtbar und vergleichbar, was zuvor häufig nur beschrieben oder erfühlt werden konnte.

Die Ganganalyse verlässt das Labor

Besonders interessant wird es dort, wo die Messtechnik nicht mehr an Klinik oder Labor gebunden ist. Eine klassische Ganganalyse liefert zwar detaillierte Informationen, zeigt aber zwangsläufig nur einen kleinen Ausschnitt: Der Patient oder die Patientin läuft einige Meter unter kontrollierten Bedingungen. Der Alltag sieht anders aus – mit Treppen, wechselnden Untergründen, längeren Strecken und müden Beinen.

Wearables können diese Lücke verkleinern. Einlegesohlen kombinieren beispielsweise Drucksensoren mit Inertialsensoren und erfassen während des Gehens Parameter wie Geschwindigkeit, Schrittfrequenz, Schrittlänge oder Standzeit. Untersuchungen zeigen, dass sich mehrere dieser Parameter mit solchen Systemen zuverlässig bestimmen lassen.

Langzeitmessung schlägt Labordaten

Noch interessanter ist die Langzeitmessung. In einer Studie zur Rehabilitation nach Unterschenkelfrakturen zeigten die Daten instrumentierter Sohlen im Alltag teilweise stärkere Gangasymmetrien als die Messungen im Labor. Bei einem Patienten deuteten Veränderungen der kontinuierlich erfassten Gangparameter sogar früher auf Probleme bei der Heilung hin als die punktuellen Labormessungen.

Damit verschiebt sich eine entscheidende Grenze: Gemessen wird nicht mehr nur dort, wo behandelt und angepasst wird. Gemessen werden kann dort, wo eine Prothese, Orthese oder Einlage funktionieren muss – im Alltag.

Technische Orthopädie beim DKOU 2026

Wie Messdaten die Versorgung mit Prothesen, Orthesen und anderen Hilfsmitteln verändern, ist auch Thema beim Deutschen Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU), der vom 20. bis 23. Oktober 2026 in Berlin stattfindet. Beim dortigen Tag der Technischen Orthopädie widmet sich die Sitzung „Messen statt Schätzen – instrumentierte Orthopädietechnik zwischen Klinik, Werkstatt und Alltag“ unter anderem der Bewegungsanalyse, Druckmessung, Thermografie, künstlicher Intelligenz und dem Umgang mit standardisierten Daten.

Wenn aus Messwerten Entscheidungen werden

Sensoren produzieren zunächst vor allem eines: Daten. Wirklich nützlich werden diese erst, wenn aus Druckwerten, Bewegungsmustern oder Temperaturverläufen Informationen entstehen, die sich für die Versorgung nutzen lassen. An diesem Punkt kommt Künstliche Intelligenz (KI) ins Spiel. Algorithmen können große Datenmengen nach Mustern durchsuchen, Abweichungen erkennen oder unterschiedliche Gangbilder klassifizieren.

Denkbar ist etwa, Veränderungen nicht erst dann zu bemerken, wenn ein Patient oder eine Patientin über Schmerzen klagt. Kontinuierlich erhobene Daten könnten früh Hinweise darauf liefern, dass sich das Gangbild verändert oder die Passform eines Hilfsmittels nicht mehr stimmt. Sensor-optimierte Prothesenschäfte werden deshalb schon länger als Möglichkeit erforscht, um Veränderungen zwischen Stumpf und Schaft auch außerhalb der Klinik zu erfassen.

Die Prothese reagiert auf ihren Träger

Noch einen Schritt weiter gehen aktive oder adaptive Prothesen. Dabei dienen Sensoren nicht nur der Analyse. Ihre Daten fließen unmittelbar in die Steuerung ein. Die Technik muss beispielsweise erkennen, ob ein Mensch gerade steht, geht oder eine Treppe bewältigt, und das Verhalten des Systems entsprechend anpassen.

Damit rückt die Orthopädietechnik näher an andere Bereiche der Mechatronik heran. Sensorik, Aktorik, Regelungstechnik und Software arbeiten zusammen, allerdings mit einer Besonderheit: Ein Teil des technischen Systems ist der menschliche Körper. Schon geringe Fehlinterpretationen oder eine schlechte Abstimmung können sich deshalb unmittelbar auf Sicherheit, Komfort und Bewegungsablauf auswirken.

Vom Messwert zum digitalen Zwilling

Parallel dazu wächst die Menge digitaler Informationen, die einen Träger oder eine Trägerin beschreiben. 3-D-Scans erfassen die Geometrie, Sensoren liefern Belastungsdaten, Bewegungsanalysen zeigen biomechanische Abläufe. Werden solche Informationen miteinander verknüpft, entsteht die Grundlage für einen digitalen Zwilling.

Das Ziel wäre ein digitales Modell, an dem sich unterschiedliche Varianten einer Versorgung zunächst virtuell untersuchen lassen. Forschungsansätze verbinden digitale Zwillinge inzwischen etwa mit visueller Ganganalyse, um die Ausrichtung von Prothesen zu beurteilen. Aus dem bisherigen Prozess aus Formen, Anprobieren und Nacharbeiten könnte damit ein Kreislauf aus Messen, Modellieren, Fertigen und erneutem Messen werden.

Die Werkstatt wird digital

Dieser Kreislauf endet nicht am Bildschirm. Denn gleichzeitig verändert die additive Fertigung die Herstellung von Orthesen und Prothesen. Individuelle Geometrien lassen sich direkt aus digitalen Konstruktionsdaten fertigen, Material und Strukturen gezielt anpassen.

Wie eng Messung und Fertigung zusammenrücken können, zeigt eine 2026 veröffentlichte Studie: Die Forscher integrierten eine dreidimensionale Druckkartierung in die Konstruktion eines additiv gefertigten Prothesenschafts. Die gemessene Druckverteilung floss in die Gestaltung unterschiedlich dichter Gitterstrukturen ein. Das Bauteil wird damit nicht nur nach der Körperform gestaltet, sondern auch danach, welche Belastungen an welcher Stelle auftreten.

Leichter, aber trotzdem belastbar

Additive Fertigung eröffnet noch eine weitere Möglichkeit: Material muss nicht überall gleichmäßig verteilt sein. Gitterstrukturen können dort dichter ausgelegt werden, wo hohe Belastungen auftreten, und an anderen Stellen leichter.

Wie weit das inzwischen reicht, zeigt eine Untersuchung zu patientenspezifischen Prothesenschäften. Dort wurde die Dichte additiv gefertigter Gitterstrukturen abhängig von den berechneten Spannungen angepasst. Der untersuchte Prototyp war dadurch rund 25 Prozent leichter, ohne die erforderlichen Sicherheitsreserven aufzugeben. Andere Forschungsarbeiten kombinieren starre und flexible Strukturen, um Belastungen gezielt auf belastbarere Gewebebereiche zu verteilen und Druckspitzen zu reduzieren.

Nicht jede Zahl ist vergleichbar

Aber: Sensorposition, Kalibrierung, Messbedingungen und Auswerteverfahren beeinflussen das Ergebnis. Spätestens wenn Daten verschiedener Geräte, Einrichtungen oder Betroffener miteinander verglichen und von KI-Systemen ausgewertet werden sollen, wird Standardisierung deshalb zum Thema.

Normen existieren in der Orthopädietechnik bereits, etwa für die einheitliche Beschreibung des normalen, pathologischen und prothetischen Gangs. Mit der zunehmenden Digitalisierung erweitert sich diese Aufgabe. Auch Datenformate, Schnittstellen und Messverfahren müssen so definiert sein, dass Informationen herstellerübergreifend genutzt werden können.

Der Mensch bleibt Teil des Messsystems

Hinzu kommt eine Besonderheit, die sich technisch nur begrenzt standardisieren lässt: Menschen bewegen sich nicht jeden Tag gleich. Die Beschaffenheit eines Amputationsstumpfes kann sich verändern, ebenso Muskelaktivität, Belastung oder Bewegungsmuster. Temperatur und Aktivität beeinflussen einige Messverfahren. Deshalb werden für intelligente Prothesenschäfte unterschiedliche Sensortypen untersucht, die Druck, Volumenveränderungen und Temperatur erfassen.

Mehr Daten bedeuten nicht automatisch eine bessere Versorgung. Entscheidend ist, welche Messwerte für eine konkrete Fragestellung tatsächlich relevant sind und wer sie korrekt interpretieren kann.

Aus Handwerk wird Hightech-Handwerk

Orthopädietechniker und -technikerinnen dürften deshalb auch künftig nicht durch einen Algorithmus ersetzt werden. Ihre Rolle verändert sich jedoch zunehmend. Zum Wissen über Anatomie, Materialien und handwerkliche Fertigung kommen Kenntnisse über Sensorik, digitale Konstruktion und Datenanalyse.

Vielleicht beschreibt „Messen statt Schätzen“ diesen Wandel nur halb. Denn geschätzt wird in der Orthopädietechnik auch künftig nicht ins Blaue hinein. Erfahrungswissen bleibt bei individuellen Versorgungen wichtig. Neu ist, dass dieses Wissen mit objektiven Daten abgeglichen werden kann. Aus einem traditionellen Handwerk wird damit ein Hightech-Handwerk, dessen Werkzeuge von der tastenden Hand bis zum digitalen Zwilling reichen.

Quellen

Ein Beitrag von:

Julia Klinkusch

Julia Klinkusch ist seit 2008 selbstständige Journalistin und hat sich auf Wissenschafts- und Gesundheitsthemen spezialisiert. Seit 2010 gehört sie zum Team von Content Qualitäten. Ihre Themen: Klima, KI, Technik, Umwelt, Medizin/Medizintechnik.