Das Wichtigste in 30 Sekunden
Das SimPROLEG-Projekt verfolgt das Ziel einer effizienteren und verbesserten Erzeugung von individuell angepassten Beinprothesenschäften durch eine KI-basierte Simulation der Belastungen im Beinstumpf und Prothesenschaft von Patient*innen.
Beschreibung
Ziel
Das Ziel des SimPROLEG-Projektes ist es in einem innovativen Ansatz, durch KI-Methoden ein effizientes und kostengünstiges biophysikalisch optimiertes Prothesendesign zu ermöglichen. Durch die Entwicklung von speziell optimierten Deep Learning Netzen sollen die Gesamtkosten und die Dauer des Entwurfs- und Optimierungsprozesses der Beinprothesen signifikant reduziert werden. Ein KI-gestütztes Berechnungsmodell soll dabei die Simulation des Belastungszustandes im Prothesenschaft im Vergleich zu einer klassischen Finite-Elemente-Berechnung deutlich beschleunigen.
Innovation des DFKI
Das DFKI entwickelt im Rahmen der innovativen Neugestaltung der individuellen Anpassung und Optimierung der Prothesenschaftgeometrie eine problemspezifische Methode zur effizienten Integration von bio- und strukturmechanischem Wissen und Volumeninformationen mithilfe künstlicher Intelligenz. Im Besonderen entwickelt das DFKI im Rahmen des Projektes den Bereich der physikalisch-informierten neuronalen Netze (engl. physics-informed neural networks, PINNs) weiter und unterstützt den Wissenstransfer neuester KI-Methoden aus der Wissenschaft in die Industrie und die praktische Anwendung. Die entwickelten KI-Methoden sollen zur Verbesserung der prothetischen Versorgung von Menschen nach Beinamputationen beitragen und unterstützen so das Ziel des DFKI: KI für den Menschen.
Hintergrund
Der laut WHO steigenden Bedarf an Prothesen hat in der Vergangenheit zu ständig neuen Innovationen geführt. Im Vergleich zur signifikanten Weiterentwicklung von prothetischen Kniegelenken und Prothesenfüßen in den letzten Jahren, sind Prothesenschäfte in ihrer Funktion und in ihrem Auslegungsprozess relativ unverändert geblieben.
Bisher werden die meisten Prothesenschäfte manuell in einem iterativen Verfahren entworfen und gefertigt. Somit hängt ihre Qualität unmittelbar von den Erfahrungen der Orthopädietechniker und Orthopädietechnickerinnen ab. Auf Basis geometrischer Daten und weiteren Informationen über die Patienten und Patientinnen wird ein Testschaft erstellt. Dieser wird über mehrere Iterationen hinweg optimiert. Ist ein hinreichend passender Testschaft gefunden, wird daraus der endgültige Definitivschaft hergestellt.
Studien zeigen, dass im Durchschnitt neun Iterationen nötig sind, bevor die endgültige Geometrie des Definitivschafts festgelegt wird. Trotz dieses Prozesses beklagen dennoch viele Patienten*innen einen mangelnden Tragekomfort, eine beschränkte Funktionalität oder leiden unter Hautverletzungen. Diese Unzufriedenheit führt dazu das bis zu 57% der Betroffenen auf die Nutzung ihrer Beinprothese – wenn auch nur vorübergehend – verzichten. In solchen Fällen kann eine nachträgliche strukturmechanische Betrachtung mit zeitaufwändigen Korrekturen erforderlich sein.
Finite-Elemente-Simulationen der Beinstümpfe und Prothesenschäfte ermöglichen, diese patientenindividuelle Optimierung der Prothesengeometrie biophysikalisch fundiert und somit verbessert durchzuführen. Eine Finite-Elemente-Simulation ist ein computergestütztes Verfahren zur Lösung komplexer physikalischer Probleme. Bei diesen wird ein Problem in viele kleine und einfachere Teile zerlegt. So können genaue Vorhersagen über das Verhalten von Materialien und Systemen getroffen werden. Jedoch werden für eine solche Finite-Elemente-basierte Modellierung und Optimierung des Prothesenschafts Bearbeitungs- und Rechenzeiten von mehreren Tagen notwendig. Vor dem Hintergrund des Fachkräftemangels in der prothetischen Versorgung in Deutschland auf der einen und den so hervorgerufenen hohen Gesamtkosten für diesen aufwendigen Entwurfs- und Fertigungsprozess auf der anderen Seite, wird der praktische Einsatz biophysikalisch fundierter Prothesenoptimierung stark limitiert. Daher verspricht der verbesserte Ansatz das SimPROLEG-Projektes die Versorgung von amputierten Menschen signifikant zu verbessern.
