„Spinemover“
Hier: Auslegungsdaten und Machbarkeitsnachweis für
einen Stuhl, der dem Rumpf und Rücken eines gehbehinderten oder gehunfähigen
Menschen durch die Sitzfläche Bewegungen wie beim Gehen aufprägt.
KMU:
Gisela
Schon
52379
Langerwehe
Gewerbebetrieb
nach §14 GEWO, Ust-IdNr.: DE205574038
Universitäre
Einrichtungen:
·
Technische Universität Ilmenau, Fakultät für Maschinenbau,
Institut für Mikrosystemtechnik, Mechatronik und Mechanik, Fachgebiet
Biomechatronik (Federführende
Einrichtung), Prof. Dipl.-Ing. Dr. med. (habil.) H. Witte
·
Universität des Saarlandes, Fachbereich 8.4 (Humanbiologie), Prof. Dr.
rer. nat. B. Möhl
·
Friedrich-Schiller-Universität Jena, Klinik für Orthopädie am
Waldkrankenhaus
Projektleitung
Koordination zwischen universitären und außeruniversitären Partnern:
Gisela
Schon
Inhaberin
der gewerblichen Schutzrechte
Mittelstrasse
51
52379
Langerwehe
E-Mail: schon.gisela@vdi.de
Projektleitung
universitäre Einrichtungen und Federführende Einrichtung:
Technische
Universität Ilmenau
Institut
für Mikrosystemtechnik, Mechatronik und Mechanik
Fachgebiet
Biomechatronik
Pf
100565
98684
Ilmenau/Thüringen
Telefon:
0 36 77 / 69 24 56
Telefax: 0 36 77 / 69 12 80
E-Mail: hartmut.witte@tu-ilmenau.de
C. Zusammenfassung
In der
orthopädischen Literatur über die Grundlagen und Behandlungsmöglichkeiten des
Rückenschmerzes wird allgemein postuliert, dass der menschliche Rumpf bei der
Fortbewegung systematisch mechanisch genutzt wird. Tatsächlich konnte der Nachweis
hierfür erst von unserer Gruppe (Hoffmann 2001) geführt werden. Störungen
dieser Systematik erweisen sich als valider Prädiktor für Rückenbeschwerden,
wie aktuelle, noch nicht publizierte Ergebnisse einer Studie am
Kompetenzzentrum Interdisziplinäre Prävention „KIP“ belegen (bisheriges
Fördervolumen 1,5 Mio. €).
Das hier
beantragte Projekt hat auf der Theorieseite das Alleinstellungsmerkmal,
aufgrund bestehender Kooperationen exklusive Informationen aus einem der
größten deutschen Projekte zur Prävention von Wirbelsäulenerkrankungen zu
gewinnen.
Aufbauend
auf klinischer Evidenz und Grundlagenstudien erlebt daher das Cotta’sche
Konzept „Leben ist Bewegung“ eine Renaissance, allerdings in der Präzisierung
„Physiologische Wirbelsäulenbewegung beim Gehen sichert rückenschmerzfreies
Leben“. Welche Maßnahmen zur Prävention und Therapie von Rückenbeschwerden
können aber jenen Menschen angeboten werden, die zeitweise oder dauerhaft nicht
gehfähig sind? Die Lösung dieses Problems kann nicht Gegenstand des oben
zitierten Projektes sein, da dieses aufgrund der finanziellen Förderung durch
eine Berufsgenossenschaft gehfähige Arbeitnehmer als Zielgruppe hat. Gisela
Schon hat die Idee, gehbehinderten und gehunfähigen Menschen mit einem Apparat
zu helfen, welcher dem Rumpf und damit dem Rücken und der Wirbelsäule jene
Bewegungen aufprägt, welche das Individuum beim Gehen aktiv produzieren würde.
Aufgrund der beim Gehen experimentell beobachteten weitgehend unbeschleunigten,
rotationsarmen Bewegung des Schultergürtels kann die Umsetzung in einer
Sitzgelegenheit bestehen, welche dem Beckengürtel die physiologischen
Relativbewegungen zum Schultergürtel vorgibt. Diese Idee hat Frau Schon in ein
umfassendes Patent umgesetzt. Wir sind zwar der Überzeugung, dass für den „Normalen“
eigene physische Aktivitäten den Königsweg zur Pflege des Bewegungsapparates
darstellen, sehen aber für die Zielgruppe der Gehbehinderten oder Gehunfähigen
das von Frau Schon vorgeschlagene Konzept als Chance für einen therapeutischen
Durchbruch an. Für die technische Realisation des „Spinemover“ stehen bereits mehrere konkurrierende technische
Prinziplösungen zur Verfügung, für die notwendige systematische klinische
Testung als Basis einer Serienproduktion ist aber eine Gruppe vorbereitender,
koordinierter Experimente zum Nachweis der Machbarkeit erforderlich („Schlüsselexperiment“):
Die
universitären Partner bringen umfangreiche Erfahrungen in der Durchführung
derartiger Experimente in das Projekt ein. Dabei reicht die Spanne der in
Zusammenarbeit erfolgreich bewältigten Projekte von der Entwicklung eines
biomechanischen Modells zur Erklärung aller groben menschlichen Gestaltmerkmale
bis zur Validierung von Therapiekonzepten. Eine erfolgreiche Durchführung im
Team kann also gewährleistet werden, während die Abwicklung des erforderlichen
Programmes einer Einzelgruppe kaum möglich wäre. Durch den Off-Spin aus
mehreren Förderprojekten (DFG, bmb+f, KIP) ist ein kostengünstiger
Technologietransfer möglich.
Das KMU
in Person von G. Schon hat als Inhaberin der gewerblichen Schutzrechte die
Kooperation mit den universitären Einrichtungen arrangiert. Der Leiter des
Fachgebietes Biomechatronik an der Technischen Universität Ilmenau sichert als
Arzt und Ingenieur den Transfer zwischen den beteiligten universitären
Partnern, G. Schon zwischen diesen und den außeruniversitären Partnern.
D. Vorhabensbeschreibung
Die lebenszeitbezogene Inzidenz von Rückenschmerzen wird in der Literatur mit Werten um 80 % angegeben (vgl. das umfangreiche Werk von Junghanns, z.B. Junghanns 1986, oder Krämer & Grifka 2001), Krämer (pers. Mitteilung zu Krämer 2003) beobachtet sogar eine Tendenz Richtung 100 %. Somit stellen Rückenbeschwerden ein Problem für annähernd jeden Menschen dar, die volkswirtschaftlichen Kosten durch krankheitsbedingte Ausfallzeiten, Therapie und Sekundärprävention summieren sich in Deutschland auch bei vorsichtiger Wertung der Angaben der Versicherungsträger auf mindestens 40 Milliarden €/a (aktualisierte pers. Mitteilungen Berufsgenossenschaft).
Entsprechend hoch ist der Investitionsaufwand in
Primär- und Sekundärprävention von Rückenschmerzen. Nachemson (2000, pers.
Mitteilung) kommt aber aufgrund einer umfassenden Meta-Analyse der relevanten
Literatur zu der Einschätzung, dass keine der propagierten Maßnahmen als
„Golden Standard“ anzusehen sei, in extremis sogar, dass bis auf wenige eng
indizierte Ausnahmen keine der Maßnahmen als wirksam belegt werden könne.
Zunehmend setzt sich das in seinem Kern bereits von
Pauwels initiierte Konzept der individuellen Beanspruchungsmaße durch (vgl.
Abb. 1): gleiche äußere Belastungen rufen bei unterschiedlichen individuellen
Eigenschaften unterschiedliche Beanspruchungen hervor. Die Individualmerkmale
betreffen dabei so unterschiedliche Kriterien wie Morphologie und Struktur des
Bewegungsapparates, myo-neuronale Koordination und psycho-soziale
Rahmenbedingungen.
Es besteht weitgehender Konsens darüber, dass
physiologische Belastungen physiologische Beanspruchungen hervorrufen. Eine rationale
Basis hat diese partielle Zirkeldefinition in dem Ergebnis
funktions-morphologischer, muskelphysiologischer und evolutionsbiologischer
Analysen (vgl. die Übersicht in Witte 2002), dass die menschliche Körpergestalt
als Ergebnis eines Selektionsprozesses eine Anpassung an das ausdauernde Gehen
darstellt. Es wird daher (meist implizit) postuliert, dass der phylogenetischen
eine stetige ontogenetische Anpassung entspreche: Gehen führt zum Erhalt der
physiologischen Gestalt, Struktur und Funktion des menschlichen Körpers.
Australien hat diese Arbeitshypothese zur Basis eines nationalen
Präventions-Programmes erhoben und versucht, jeden seiner Bürger täglich zu
einem mindestens halbstündigen Spaziergang zu aktivieren. Erste
Zwischenergebnisse sind vielversprechend.
Erst seit kurzem verfügbar ist die Information, dass
der Mensch seinen Rumpf systematisch für die Fortbewegung nutzt (Hoffmann
2001). So sind beispielsweise beim Gehen in Abhängigkeit von der
Geschwindigkeit reproduzierbare Amplituden- und Phasengänge der Rumpftorsion
beobachtbar (Abb. 2).
Abb. 2:
Amplitudengang (oben) und Phasengang (unten) der Rumpftorsion beim Gehen in
Abhängigkeit von der Geschwindigkeit. Alle Daten sind auf dem Laufband erhoben
worden. Durchgezogene Linien: Mittelwerte und Standardabweichungen für n = 30
Männer (nach den Daten von Hoffmann [2001]).
Quelle: Witte et al. (2002)
Auf diesem Kenntnisstand stellt sich die Frage,
welche Maßnahmen man nicht gehfähigen oder gehbehinderten Menschen zur
Vermeidung und Behandlung ihrer Rückenbeschwerden anbietet. G. Schon hat zur
Diskussion gestellt, diesen Menschen ihr individuelles aber systematisches
Gangbild durch einen Apparat („SEAT“, Patentinitiative vgl. E2.2) aufzuprägen.
Das Konzept ist schlüssig (mit der bei dieser Patientengruppe nicht zu
umgehenden Einschränkung, dass gleiche äußere Kinematik nicht zu gleicher
innerer Dynamik führen muss) und sollte angesichts der von Nachemson dokumentierten
Evidenz fehlender Wirksamkeit aller Alternativen klinisch überprüft werden.
Die folgende Literaturliste muss beim Focus
auf das Thema des Antrags (und nicht das Allgemeinthema „Rückenschmerz“)
zwangsläufig viele eigene Arbeiten zitieren, da sich bedauerlicherweise mit dem
so offensichtlichen Thema der systematischen Nutzung von Rumpfbewegungen für
die Lokomotion bisher weltweit andere Gruppen im Gegensatz zu uns nicht
intensiv auseinandersetzen. Wir betrachten diese Position außerhalb des main streams
angesichts der gescheiterten Etablierung von „Golden standards“ durch andere
Gruppen in einem Wettbewerbsbeitrag als Vorteil und Zukunftschance.
Hoffmann H. (2001): Eine experimentelle Studie zur
Systematik der Nutzung von Rumpfschwingungen beim menschlichen Gehen. -
Dissertation Bochum.
Junghanns H. (1986): Die Wirbelsäule unter den
Einflüssen des täglichen Lebens, der Freizeit, des Sportes. - In: Junghanns H.
(Hrsg.): Die Wirbelsäule in Forschung und Praxis, Band 100, 2. Auflage,
Hippokrates, Stuttgart.
Krämer J. & Grifka J. (2001): Orthopädie. 6.
Auflage. Springer, Berlin.
Krämer J. (2003): Handbuch Orthopädie.
Wirbelsäule. (Bd. 8). Thieme, Stuttgart.
Witte H. (2002): Hints for the construction of anthropomorphic
robots based on the functional morphology of human walking. - Journal of the
Robotic Society of
Witte H. & Fischer M. S. (2000):
Evolutionsbiologische Betrachtungen zu den Entstehungsbedingungen menschlicher
Wirbelsäulenerkrankungen. – In: Radandt, S., Grieshaber R.. & Schneider W.
(Hrsg.) Prävention von arbeitsbedingten Gesundheitsgefahren und Erkrankungen.
Monade Konzept & Kommunikation, Leipzig, 64 - 72.
Witte, H., Schilling, N., Hoffmann, H., Hackert,
R., Voges, D., Lilje, K. E., Schmidt, M. & Fischer, M. S. (2002): Der Rumpf
wird vom Menschen und von anderen Säugetieren systematisch für die Fortbewegung
genutzt. - In: Grieshaber, R., Schneider, W., Scholle, H.C. (Hrsg.) Prävention
von arbeitsbedingten Gesundheitsgefahren und Erkrankungen. Monade Konzept &
Kommunikation, Leipzig, 291-304.
Vor allem die Bürositzmöbelindustrie versucht Sitzgelegenheiten so zu gestalten, dass sie einerseits eine physiologisch richtige Sitzhaltung, andererseits die eigene Bewegung beim Sitzen fördern, denn von diesen gehfähigen Menschen werden die vorhandenen Schulungs- und Trainingsangebote (in der Freizeit Wandern, therapeutisch Reiten, Rückenschwimmen, Skilanglauf, Besuch einer Rückenschule) nicht in genügendem Umfang wahrgenommen.
Solche zwar passiven, aber nur zweidimensionalen Mikrobewegungen haben selbst bei bewusst eingehaltener, aufrechter Oberkörperhaltung keinen signifikanten Einfluss auf Probleme, die durch Bewegungsmangel beim „Dauersitzen“ hervorgerufen wurden. Daher bieten sie gehunfähigen und gehbehinderten „Dauersitzern“ (die zudem weder wandern noch reiten können) keine Lösung. Es existieren keine relevantren, fremden Patente. (Siehe auch D2.2)
(vgl. http://www.maschinenbau.tu-ilmenau.de/bionik-netz/biomech/bm_publ.html)
Prof. Möhl hat mit seiner Gruppe umfangreiche
Studien zur Koordination und Stabilität des menschlichen Gehens durchgeführt
(vgl. http://www.uni-saarland.de/fak8/bi13wn/projekte/projekte.htm).
Das Klinikum in Eisenberg bearbeitet als größte deutsche Orthopädische Klinik eine Vielzahl von Problemstellungen am Bewegungsapparat.
(vgl. http://www.med.uni-jena.de/orthopaedie/forschung.html
)
(vgl. http://www.med.uni-jena.de/orthopaedie/biomech.html
)
Als über diese im Internet
verfügbaren Informationen hinausgehend und für die hier vorgeschlagenen Fragen
besonders relevant, sollte zusätzlich betont werden:
1. Die Charakterisierung des
biomechanischen Verhaltens der Wirbelsäule mit stereophotogrammetrischen
Methoden und Untersuchung des Spannungs-Dehnungszustandes der WS bei
a. operativ versteiften
Skoliosen
b. jugendlichen Skoliosen
c. haltungsschwachen Kindern
d. Ischialgiepatienten
e. WS-Gesunden
(Vergleichsgruppe)
2. Mobilitätsmessungen
verschiedener Patientengruppen mit Hilfe des 3D-Ultraschallmess-systems CMS 100
(Fa. Zebris®)
3. Weiterführende
ganganalytische und röntgenmorphometrische Untersuchungen von Blumentritt und
Mitarbeitern bildeten die Grundlage für die Entwicklung eines Belastungsmodells
des menschlichen Hüftgelenkes, das sich durch Einbeziehung der
Quadrizepsmuskulatur in die Berechnungen der Gelenkbelastung vom klassischen
Pauwels-Modell unterscheidet (Blumentritt & Ehrenpfordt 1988, Blumentritt
1988 und 1990). In Abhängigkeit von Körpergröße und Gewicht konnten Normwerte
sowohl zur Gelenkgeometrie als auch zur Gelenkbelastung ermittelt werden, die
das gesunde Hüftgelenk definieren.
Blumentritt S. & Ehrenpfordt A. (1988)
Biomechanische Bauprinzipien des menschlichen Hüftgelenkes und deren Anwendung
in Diagnostik und Therapie.
- Habilitationsschrift Universität Jena.
Blumentritt S. (1988) Biomechanische Bauprinzipien
des menschlichen Hüftgelenkes in der Frontalebene. - Gegenbaurs morphol. Jahrb.
134 (2): 221-240.
Blumentritt S. (1990) Die Beziehungen zwischen dem
Gang des Menschen und dem Hüftgelenkaufbau in der Frontalebene.
- Gegenbaurs morphol. Jahrb. 136: 677-693.
Technische Vorarbeiten von G. Schon in Zusammenarbeit mit den Universitäten Hannover und Ilmenau haben mehrere theoretische technische Prinziplösungen geliefert. (Siehe Anlagen)
Diejenige Lösung, die weitestgehend mit auf dem Markt erhältlichen Teilen umgesetzt werden kann, soll für die Studien zum Einsatz kommen. Wegen der hieraus resultierenden Baugröße ist diese Version keine Vorwegnahme einer Vorentwicklung von marktgeeigneten Prototypen.
Die zugrundeliegenden Ideen sind prioritär patentvorabgesichert:
·
Deutsche Patentanmeldung 10/98,
·
Internationale PCT Patentanmeldung 10/99, (Patent Cooperation Treaty),
Die Patentschrift ist nach der
Veröffentlichung im Verlauf des internationalen Prüfungsverfahrens noch
verändert worden, vier geänderte Seiten der Beschreibung und 11 Patentansprüche
sind Bestandteil des positiven vorläufigen internationalen Prüfungsberichtes
und liegen diesem bei.(siehe Anlage)
Hierin werden unter Punkt V.
(Begründete Feststellung nach Artikel 35(2)) alle Ansprüche in vollem Umfang
(nicht eine relevante Schrift) für diese 100 Länder als patentierbar
festgestellt, hinsichtlich der:
·
Neuheit (N)
·
Erfinderischen Tätigkeit (ET)
·
Gewerblichen Anwendbarkeit (GA)
Hierin erwähnter „Nächstliegender Stand der Technik“:
DE-A-33 24 788 (Wolf Ciecierski) (siehe D1.2)
·
Einleitung der nationalen Phase US 04/01 mit 22 Ansprüchen,
·
Einleitung der regionalen Phase EU 05/01 mit 22 Ansprüchen, im Stadium
der Erteilung (51(4)
Der Schutzbereich des Konzeptionspatentes (Grundsatzpatent) WO 0022964 von G. Schon bezieht sich auf komplette Sitzgelegenheiten, inklusive innovativer Arm- und Beinstützen und unterschiedlicher Oberkörperstützen, jedoch mit der Hauptfunktion der bewegten Sitzfläche und ist so weit gefasst worden, um die Gefahr einer Umgehung des Patentes weitestgehend auszuschließen.
Angemeldet und geprüft sind:
· alle Arten von Sitzgelegenheiten (bedeutet Vielzahl von Einsatzgebieten und Zielgruppen)
·
mit allen dreidimensionalen Bewegungen der Sitzfläche (eine die
menschliche Gangbewegung)
·
durch alle erdenklichen Antriebe (elektromechanisch, hydraulisch,
pneumatisch, etc.)
Um die Gefahr eines fremden Sperrpatentes für die
kostengünstigste, also die marktwirtschaftlich relevanteste Umsetzung der
Sitzflächenbewegung auszuschließen, wurde bereits ein Konstruktionspatent
(Produktpatent) auf das einfachste, in drei Bewegungsrichtungen auf ein
individuelles Gangbild manuell einstellbare Antriebsmodul mit Getriebe
angemeldet. Entwicklung Dr. Kopp, Uni Hannover (s. Anlage)
Ad:
„Ergebnisse einer umfangreichen Literatur- und Patentrecherche“:
Die in D1.1 als hier relevant erarbeiteten
Ergebnisse der Grundlagenforschung sind im Wesentlichen von den Antragsstellern
erarbeitet worden. Klinisch-technische Umsetzungen der Prinzipien sind
publikatorisch nicht dokumentiert. Die Existenz des internationalen
Prüfungsberichtes (vgl. D2.2) beweist, dass es keine anderen relevanten Patente
gibt.
Der „Spinemover“
findet als theoretisches Konzept wie auch bei der direkten Konfrontation mit
dem, von Frau Schon gefertigten (nicht verstellbaren) Bewegungsmodell
„Pferdegangart Schritt“ weitgehende Akzeptanz bei potentiellen Kunden, Wissenschaftlern
und potentiellen Produzenten. Doch kein Hersteller von Sitzgelegenheiten
(Rollstühle, Lkw-Sitze, Bürostühle,) als potentieller Lizenznehmer verfügt über
die Produktionsstätten und Mitarbeiter zur Entwicklung, Konstruktion und
Fertigung der Antriebsmodule. Zudem ist die medizinische Wirksamkeit der
patentierten Idee des „Spinemover“
auf rein theoretischem Wege nicht nachweisbar und eine Gangbilderfassung ist
bei Rollstuhlfahrern und Gehbehinderten konventionell nicht möglich. Für diese
gibt es derzeit keinerlei Lösung, auch nicht durch (selber) Wandern oder
therapeutisches Reiten. Zur Verringerung der Komplexität des Projektes und um
die Risiken für potentielle Industriepartner kalkulierbar zu machen, könnte das
hier vorgeschlagene Projekt einen Durchbruch bewirken.
Bevor der „Spinemover“
in ein Serienprodukt umgesetzt und die klinische Testung überführt werden kann,
müssen folgende Fragen beantwortet werden, die Gegenstand des
Schlüsselexperimentes sein sollen:
Mit der Beantwortung dieser Fragen soll die Basis
für die Entscheidung über eine serienreife Produktion des „Spinemover“ geschaffen werden. Die danach
angestrebte Verfügbarkeit einer Kleinserie des Produktes erlaubt die Durchführung
Klinischer Studien zur Feststellung therapeutischer und präventiver
Wirksamkeit. Hierbei gewonnene Erfahrungen führen zur iterativen Optimierung
des Designs (Gestalt und Funktion), mit dem Ziel, ein vom Containment
(Trainingstuhl in Klinik, für ambulante Behandlung oder zu Hause, Rollstuhl,
perspektivisch auch Fahrzeugsitz oder Arbeitsstuhl) unabhängiges Funktionsmodul
verfügbar zu haben.
Sobald das Schlüsselexperiment die
Funktionsfähigkeit des Bewegungsmodells „Spinemover“ belegt hat, würde beispielsweise die Orthopädische Klinik
der Friedrich-Schiller-Universität folgenden Fragenkomplex durch klinische
Studien untersuchen:
„Im orthopädischen Krankengut findet man einen hohen
Prozentsatz von Patienten mit Wirbelsäulenerkrankungen. Der Schweregrad der
Erkrankung reicht von zeitweisen Beschwerden bis zu Veränderungen an der
Wirbelsäule, die zur Invalidität führen können. Das Patientengut der Klinik
besteht aus WS-operierten, stationär aufgenommenen Patienten zur konservativen
Therapie und WS-erkrankten Kindern (Skoliosen – die stationär konservativ bis
zur Korsettversorgung behandelt werden, sowie haltungsschwachen Kindern). Eine
Anwendung des Stuhls ist aus medizinischer Sicht nur für konservativ zu
behandelnde Patienten relevant. Zu Versteifungsoperationen anstehende Patienten
können nicht in die Untersuchung einbezogen werden (ebenso frisch operierte
Patienten). Auch entfallen Patienten mit WS-Instabilitäten wegen möglicher
Progredienz der Beschwerdesymptomatik.
Die konservative Behandlung Erwachsener erstreckt
sich normalerweise über 2 Wochen, die skoliotischer oder haltungsschwacher
Kinder über 3 – 4 Wochen.
Frage: Lässt sich der konservative
Behandlungsfortschritt durch diesen Stuhl beschleunigen bzw. effektivieren?“
Aus dem Austausch mit einer Vielzahl klinisch tätiger Ärzte lässt sich der
Kreis von Patienten für die klinische Erstanwendung vereinfachend umschreiben
als:
Patienten,
die zeitweise oder dauernd nicht zum aktiven, längerstreckigen Gehen in der
Lage sind:
(häufig
wechselnde Nutzer, regelmäßigen Anwendung von täglich einer halben Stunde pro
Person)
D4.1.1 In Kliniken: (nur für begrenzten
Zeitraum = Klinikaufenthalt)
D4.1.2 In Seniorenheimen:
D4.1.3 In Rehabilitations-Zentren und
physiotherapeutischen Praxen:
Die Betonung der volkswirtschaftlichen Bedeutung der
Verfügbarkeit geeigneter Verfahren zur Prophylaxe und Therapie von
Wirbelsäulenerkrankungen (besser „Rumpferkrankungen“) wäre an dieser Stelle
eine Plattitüde. Es besteht Konsens über jährliche Behandlungs- und Folgekosten
in mehrstelliger Milliardenhöhe, Angaben von Krankenkassen,
Rentenversicherungsträgern und Berufsgenossenschaften differieren aber stark.
Eine Abschätzung nur für Deutschland erlauben aber schon vorsichtig geschätzte
Werte auf Basis von Daten aus aktuellen Vorträgen auf Kongressen zu Orthopädie
und Rehabilitation.
Modellrechnung
stationäre Therapie:
Inzidenz
relevanter Rückenschmerzen: 5 % pro Jahr
Mittlere
Kosten: € 200 pro Tag und Person
Anteil
Gehbehinderter oder –eingeschränkter am Patientenkollektiv: 5 %
Verkürzung der Behandlung durch Behandlung mit dem „Spinemover“ um einen Tag führt zu Kosteneinsparungen von
80.000.000
Einwohner * 5 %/a * € 200 / (Einwohner*d) * 5 % = 40.000.000 € / a
Modellrechnung
Prävention:
Volkswirtschaftliche
Kosten pro Jahr: 40.000.000.000 €
Anteil
Gehbehinderter oder –eingeschränkter an der Bevölkerung: 5 %
Präventiver
Wirkungsgrad: 10 %
Mögliche
Kosteneinsparungen
40.000.000.000
€/a * 5 % * 10 % = 200.000.000 €/a
D6.1 Arbeitsschritte und
Methoden
D6.1.1 Subexperiment a: Sind die als systematisch und geschwindigkeitsabhängig bekannten Bewegungen des Beckenringes und des Schultergürtels (vgl. Hoffmann 2001) abhängig von den Körpermaßen der gehenden Person? In einer bereits erprobten Technik wird bei der energetisch optimalen Ganggeschwindigkeit nach Cavagna (1,1 m/s bei einer 1,75 m großen Person; Skalierung nach Quadratwurzel Körperhöhe, vgl. Witte 1992) an Versuchspersonen (100 f / 100 m aus verschiedenen Altergruppen) die Kinematik zweier Markertriplets in allen sechs mechanischen Freiheitsgraden gemessen. (Abb. 3)
Abb. 3:
Messung der Bewegung von Beckenring und Schulergürtel beim gehenden Menschen
durch Bewegungsanalyse von zwei auf der Haut über dem Brust- und dem Kreuzbein
(Sternum und Sacrum) fixierten Markertriplets. Die von den Kameras (große
offene Kreise) aufgenommenen Projektionen der Bewegungen werden durch
modifizierte direkt-lineare Transformation (MDLT) in 3D-Bewegungen umgerechnet
Die Daten werden Frequenzanalysen unterworfen, die
Parameter der Amplituden und Phasengänge werden zusammen mit den
anthropometrischen Messgrößen der Versuchspersonen einer Diskriminantenanalyse
unterworfen.
Das Experiment liefert die kinematischen Kenngrößen
des Gehens bei energetisch optimaler, angenehmer Gehgeschwindigkeit in
Abhängigkeit von den Körpermaßen der gehenden Person.
D6.1.2 Subexperiment b: Lassen sich die in
Subexperiment a ermittelten Gangparameter durch einen aktiven Stuhl („Spinemover“) aufprägen?
Die in Subexperiment a als relevant identifizierten
Verstellgrößen für die von Antriebsmodul des „Spinemover“ zu produzierenden Trajektorien werden in einer
Anpassungskonstruktion der vorhandenen Funktionsmodelle implementiert, das
Modul wird als Zukaufleistung gefertigt und in ein Funktionsmodell des „Spinemover“ eingebaut. Die Versuchpersonen
aus Subexperiment a werden im Sitzen daraufhin untersucht, ob der „Spinemover“ die gleichen Rumpfbewegungen provozieren
kann wie das eigene Gehen. Hier sind wie bei jedem Konstruktionsprozess
Iterationsschritte einzuplanen.
D6.1.3 In Subexperiment c wird geprüft, ob und bei
welchen Patientengruppen der „Spinemover“
praktisch einsetzbar ist. Zusätzlich sollen aus diesem Subexperiment
Gestaltungshinweise für eine spätere Produktumsetzung gewonnen werden. Der
Nachweis klinischer Wirksamkeit des Verfahrens ist nicht Gegenstand des
Experimentes. Vorbehaltlich der Genehmigung durch die zuständige
Ethikkommission ist die Prüfung der Anwendbarkeit bei folgenden
Patientengruppen geplant:
·
Arthrotiker (Hüfte/Knie/OSG/Rheuma)
·
Stationär aufgenommene Patienten zur konservativen Therapie von
Rückenbeschwerden
·
Haltungsschwache Kinder (HS)
·
WS-erkrankte Kinder
·
Skoliosen, die stationär konservativ bis zur Korsettversorgung
behandelt werden
Die beteiligten Wissenschaftler bringen ihre
umfangreichen internationalen und nationalen Kontakte in das Projekt ein, zur
Beantwortung der Fragestellungen wird fallweise mit Kollegen in den eigenen
Institutionen kooperiert. Die Koordination zwischen den universitären Partnern
und den externen Auftragnehmern gewährleistet G. Schon. Dazu gehört auch
während der Planung und Durchführung des Projektes unter anderem die Einbindung
von K.-H. Baumeister und GBN (potentielle spätere Hersteller der
Antriebsmodule) als unentgeltliche Berater. Im Fall einer Umsetzung mit
mechanischem Getriebe besteht die Zusage der Robert Bosch AG, die Motoren für
das Bewegungsmodell kostenlos zur Verfügung zu stellen (s. Anlage).
Im Fall eines Förderantrags wird vor Beginn der
entsprechenden Untersuchungen das Votum der zuständigen Ethikkommission (FSU
Jena) eingeholt. Die Durchführung von Studien mit großen Probanden- und
Patientenzahlen und die Sicherung der hierfür erforderlichen rechtlichen
Rahmenbedingungen sind für die Profs. Möhl, Mollenhauer und Witte Routine.
D7.
Voraussetzungen/Risikoabschätzung
D7.1 Personelle und
technische Voraussetzungen
D7.1.1
Beteiligte Personen
Langerwehe: G. Schon
Erfinderin
Saarbrücken: Prof.
Dr. rer. nat. B. Möhl, Dr. rer. nat. O. Ludwig
Biologie des menschlichen Ganges
Ilmenau: Prof.
Dipl.-Ing. Dr. med. H. Witte, Dr. rer. nat. C. Schilling
Biomechatronik
Eisenberg: Prof. Dr. med. Dr. rer. nat.
J. Mollenhauer,
Dr.-Ing.
F. Layher, Dr.-Ing. K. Sander, OA Dr. med. A. Sachse,
OA
Dr. med. J. Babisch, OA Dr. med. T. Müller
Orthopädie
D7.1.2
Hier relevante Infrastruktur
·
Ganglabors in Saarbrücken und Jena mit mehreren
Bewegungsanalysesystemen
(insb. Qualisys® bis 1.000 Hz, High-Speed-Video bis 2.000 Hz, Zebris®
CMS 50, 70, 100) und EMG bis 64 Kanäle
·
Mehrkörperdynamik-Simulationssysteme (ADAMS®, MADYMO®)
· Ausstattung einer
Technischen Universität (Konstruktion bis Fertigung, Datenverarbeitung), zweier
naturwissenschaftlicher Fakultäten (Biologie Saarbrücken und Jena, letzteres
über Prof. Witte) und Deutschlands größter Orthopädischer Klinik mit eigener
Forschungsabteilung und Zugriffsmöglichkeiten auf die Infrastruktur der
Medizinischen Fakultät in Jena.
Profs. Möhl und Witte haben Teile der in E2.1
angesprochenen Vorarbeiten im Rahmen einer DFG-Förderung (Schwerpunktprogramm
„Autonomes Laufen“, Anteil an der Gesamtförderung ca. 800.000 €) durchgeführt.
Ilmenau und Jena waren Sitz des 2001 ausgelaufenen DFG-Innovationskollegs
„Bewegungssysteme“. Prof. Witte ist Teilnehmer am Projekt „Prävention arbeitsbedingter
Wirbelsäulenerkrankungen“ des KIP Jena (bisher ca. 1,5 Mio. €). Zusammen mit
Ilmenauern Industrie- und universitären Partnern hat Prof. Witte gerade ein
bmb+f-Projekt zum „Barrierefreien Tourismus“ bewilligt bekommen.
Keines dieser Projekte befasst sich mit den
spezifischen Problemen von Gehbehinderten und Gehunfähigen, die Gegenstand
dieses Projektvorschlages sind.
Die TU Ilmenau hat für das 6. Rahmenprogramm mehrere
Expressions of Interests für Integrated Projects und Networks of Excellence
eingereicht. Bei den umfangreichen vorbereitenden Recherchen wurde kein für das
hier vorgeschlagene Projekt geeignetes Förderinstrument identifiziert.
Zu dem geplanten Ansatz bestehen laut internationalem
Prüfungsbericht zum Konzeptionspatent (Grundsatzpatent) WO 0022964 keine
(fremden) Patente oder Patentanmeldungen, die einer späteren Ergebnisverwertung
entgegenstehen könnten. Auch die kostengünstigste, elektromechanische
Umsetzungsvariante des Moduls mit Getriebe ist bereits (zur Erlangung einer
Priorität) als „provisorische Anmeldung“ auf ein Konstruktionspatent beim
Patentamt eingereicht.
Gesamtdauer
des Vorhabens:
24
Monate
Subexperiment
a) Bewegungsstudien am Normalkollektiv:
18
Monate
Subexperiment
b) Anpassung/Testung der Antriebsmodule:
12
Monate
Subexperiment
c) Anwendbarkeitstest mit Patienten:
6 Monate
Monat |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
16 |
17 |
18 |
19 |
20 |
21 |
22 |
23 |
24 |
a |
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|
D8.1.1
Projektmanagement
Das Projekt wird in den ersten 18 Monaten von
Ilmenau aus koordiniert. Angesichts der thematischen Breite handelt es sich um
eine Doktoranden-Tätigkeit.
Personalkosten
18 Monate BAT IIa/2 O € 33.400
(Thüringen)
D8.1.2
Subexperiment a
Die Studie zur Allometrie (Größenabhängigkeit) der
menschlichen Gangparameter ist als experimenteller Teil einer biologischen
Dissertation geeignet und wird in Saarbrücken realisiert. Die Überprüfung der
Reproduzierbarkeit der Gangbewegungen durch den Stuhl ist als Zuarbeit für die
Technik zu verstehen. Diese Aufgaben sind durch eine Doktorandenstelle für 12
Monate abzudecken.
Personalkosten
12 Monate BAT IIa/2 € 25.100 (Saarland)
D8.1.3
Subexperiment b
Die technisch-konstruktive Anpassung der
Funktionsmodelle an die Nutzung der experimentell ermittelten Gangparameter
ist Aufgabe von G. Schon in Zusammenarbeit mit der Koordinatorin/des
Koordinators (E8.1.1). Die technische Austestung und Feineinstellung sollte
durch studentische Hilfskräfte unterstützt werden.
Studentische
Hilfskraft
€ 6.000
D8.1.4
Subexperiment c
Für die Praxistestung des Prinzips mit Patienten
verschiedenster Diagnose muss in der Klinik eine Person diagnoseübergreifend
benannt werden, da die abwechselnde Koordination eines Experimentes im
klinischen Alltag durch Ärzte aus verschiedenen Abteilungen (mit verschiedenen
Diagnosegruppen) erfahrungsgemäß nicht zu realisieren ist. Die Doktorandin/der
Doktorand übernimmt in den letzten 6 Monaten der Projektlaufzeit in Anpassung
an die räumliche Verschiebung des Schwerpunktes der Projektaktivitäten von
Ilmenau nach Eisenberg die Koordination des Gesamtprojektes.
Personalkosten 6 Monate BAT IIa/2 O €
11.200
keine
Nach konstruktiver Vorgabe durch die TU Ilmenau
Fertigung des Funktionsmodells für das Antriebsmodul. Die Koordination
zwischen der Hochschule und den externen Auftragnehmern sowie die
Gewährleistung des Datenflusses und die Betreuung der Umsetzung durch G. Schon.
Durch die Kostensparmaßnahmen der letzten Jahre stehen der technischen
Universität die früher vorhandenen Fertigungsmöglichkeiten nicht mehr zur
Verfügung.
Externer Auftragnehmer (N.N.) € 20.000 (Schätzangebot prospektiver Bieter GBN)
In einem anderen Projekt mit einer Gangstudie an 30
Probanden ergab sich auch bei vorsichtigem Umgang mit den Reflexmarkern der Fa.
Qualisys® (Göteborg) kontinuierlicher Ersatzbedarf durch Verschleiß
und Beschädigung der Marker (Preis pro Marker: € 7,50). Bei Erfassungsraten von
240 Hz fallen aus der Ganganalyse Datenmengen in Gigabyte-Größe an, die auf
langzeitstabilen Datenträgern mehrfacharchiviert werden müssen (Versuche mit Menschen!).
Probandenhonorare
200 *€ 30 € 6.000
Für den Transport der Messgeräte (eine Kombiladung)
und des Bewegungsmodells „Spinemover“
(Transporter) fallen Kosten an. Für den Abgleich der Projektpartner
untereinander ist die gemeinsame Durchführung von Messungen und Auswertungen an
einem Ort unabdingbar.
keine
In
die Laufzeit des Vorhabens fallen (aus Verfahrensgründen) die Patentanmeldungen
bei den nationalen Patentämtern der europäischen Länder in der Landessprache aus
der regionalen EU-Anmeldung.
Die
durchschnittlichen Kosten für 8 Länder liegen bei € 29.800 (Source: European
Patent Office, 1.7.99).
Für die USA ist die nationale Anmeldung bereits erfolgt. Die Patentschrift befinden sich auch in der regionalen Phase EU im Stadium der Erteilung. (51(4))
Voraussichtliche
Kosten € 40.000 * 60% = € 24.000
Zusätzlich ist das Konstruktionspatent (Produktpatent, siehe auch D2.2 unten) für das einfachste, manuell einstellbare, elektromechanische Antriebsmodul mit Getriebe aus der Phase der nur „provisorischen“ Anmeldung (zur Erlangung einer Priorität) zu formulieren, auszuarbeiten und mit Prüfungs- und Rechercheantrag anzumelden. Außerdem sind die übrigen innovativen Teile der bewegten Sitzgelegenheiten (Oberkörper-, Arm- und Beinstützen) auch einzeln, unabhängig von WO 00 22 964, als Teilungen separat zum Patent anzumelden, weil sie auch unabhängig von bewegten Sitzgelegenheiten wirksam sind. Zudem ist eine Kombination der diversen Oberkörperstützen als Liegehilfe in Betten anzumelden.
Gesamt
€
173.420
·
Nachweis der Bestimmbarkeit der Beckenbewegung beim Gehen auf Basis
biometrischer Daten für Personen, die kein messbares Gangbild haben,
·
Nachweis der Erzeugbarkeit der so bestimmten individuellen Bewegungen
durch ein Antriebsmodul an einer Sitzfläche,
·
Nachweis der Tolerierbarkeit der Bewegungsgenerierung von außen für
behinderte Menschen.
Bei einem positiven Ergebnis des Schlüsselexperimentes sollen die im Projekt gewonnenen Erfahrungen und die resultierenden Gestaltungsempfehlungen zu Auslegung, Baugröße und Verstellvorrichtungen zuerst in die Entwicklung und Konstruktion von zwei verschiedenartigen Antriebsmodulen einfließen:
1. Antriebsmodul für klinische Sitze (möglich:
Hexapod-Lösung mit elektronischer Steuereinheit)
Für häufig wechselnde Nutzer soll das Modul per Chipkarte auf andere Gangbilder verstellbar sein, die neben den Gangbilddaten des Nutzers auch die Auswahl und Position der jeweils erforderlichen Oberkörper- und Beinstützen steuert. Außerdem soll eine Sensorüberwachung der Sitzdauer und des Sitzverhaltens mit Ausschaltautomatik und Notruf die lokale Dauerpräsenz von teurem Klinikpersonal während des täglich 12-stündigen Betriebs nicht unbedingt ständig erforderlich machen.
Die Entwicklung soll im Auftrag oder in Kooperation geschehen und nicht Teil einer Lizenzvergabe sein, da 3-achsige Bewegungsvorrichtungen Stand der Technik sind (Flugsimulatoren, Werkzeugmaschinen) und die Anwendung nur durch das Grundsatzpatent, nicht aber separat geschützt ist.
(Hauptinteressent Modulentwicklung und Herstellung: Baumeister, Kooperationsangebot liegt vor)
Dipl.-Ing.
K.-H. Baumeister steht bereits während der Planung und Durchführung des
Projektes als unentgeltlicher Berater zu Verfügung.(Entwicklung von
theoretischen Prinziplösungen bereits an TU Ilmenau)
Bei Verfügbarkeit dieses
Moduls 1 kann entweder eine Lizenz zur
Herstellung der klinischen Stühle für häufig wechselnde Nutzer an einen Hersteller
vergeben werden, der bereits Stühle für Zahnarzt- oder Gynäkologenpraxen oder
Dialyseliegen herstellt, oder die Fertigung erfolgt in Kooperation mit dem
Hersteller. (Kontakte zu interessierten Herstellern bestehen)
2. Antriebsmodul für individuelle
Sitzgelegenheiten (flachbauend >120 mm, elektromechanisch 12V)
für selten wechselnde Nutzer nur manuell auf andere Gangbilder verstellbar. Hier kann eine Lizenz an der Konstruktionspatentanmeldung an den Hersteller des Antriebsmoduls vergeben werden, in diesem Lizenzvertrag lassen sich auch die Konditionen zur Entwicklung und deren Kosten regeln.
(Interessent: GBN Systems)
Bei
Verfügbarkeit dieses Moduls 2 soll für jede der im Folgenden aufgeführten, ganz
verschiedenen Sitzgelegenheiten je
einem Hersteller eine internationale
ausschließliche Lizenz am
Grundsatzpatent angeboten werden. Dieses Modul 2 soll so entwickelt werden,
dass es für all diese Sitze gleich sein kann.
Der Einsatz dieses Moduls 2 zuerst in Elektrorollstühlen (Nutzer wechselt nie) hat folgende Vorteile:
Rollstühle haben so für den Nutzer erstmals eine medizinische Wirkung (mit der geworben werden kann).
Rollstühle sind im Hilfsmittelkatalog eingetragen und die Kosten werden von den Kassen übernommen,
das Antriebsmodul wird eine ohnehin teuren Elektrorollstuhl prozentual nicht wesentlich verteuern,
Gel-Batterien (24V) sind bereits vorhanden, ein flaches Modul passt zwischen diese und die Sitzfläche,
die übrigen Teile des Rollstuhls (z.B. Oberkörperstützen) werden für jeden Nutzer individuell angepasst,
Hersteller verfügen bereits über eine Vertriebsstruktur und Erfahrung mit Zertifizierung und Zulassung.
Die
wirtschaftlichen Erfolgsaussichten für die obigen, nach der Patentschrift WO
0022964 zu fertigenden Varianten von Sitzgelegenheiten, sind weitestgehend von
der Geschwindigkeit der Marktdurchsetzung in den jeweiligen Bereichen, also von
den Lizenznehmern und deren Vertriebsstruktur
abhängig.
Eine einfache und schnelle Gangbilderfassung
auf Basis der Körpermaße kommt
natürlich auch allen gehfähigen Nutzern obiger Sitzgelegenheiten
zugute, weil dies zur Ersteinstellung und Umstellung auf andere Gangbilder in
kurzer Zeit und dezentral erfolgen kann, statt aufwändig im Ganglabor.
Ein positiver
Ausgang des Schlüsselexperimentes bedeutet einen Durchbruch
bei Vorbeugung und Behandlung von Rückenproblemen allgemein und ist speziell
für die nicht gehfähigen Betroffenen die einzige Lösung.
Weitere
Forschungsansätze für den „Spinemover“
bzw. für diverse Sitzversionen der Lizenznehmer:
· Erprobung anderer passiv
induzierter Bewegungsabläufe (z. B. Kamelreiten, Standardtänze, Bauchtanz,
etc.) im Zusammenhang mit psycho-motorischen und psychologischen Aspekten
· Einsatz der
höhenverstellbaren Version „Stehsitz“ im Vergleich zu vorhandenen „Geh- und Remobilisierungsvorrichtungen“,
die darauf abzielen, Patienten wieder gehfähig zu machen
· Verhinderung von Sekundenschlaf bei Fahrzeugführern (Bahnführerstand- und Lkw-Sitze)
D9.3 Wirtschaftliche
Anschlussfähigkeit
Die nächsten Schritte:
·
Gründung eines wirtschaftlich tätigen
Vereins zur Förderung von Lösung von Gesundheitsproblemen durch Bewegungsmangel
(e.V.) mit Vertretern der kooperierenden Institute, Universitäten und ggf.
Hersteller, zur Herstellung des Sessels und zur Vermarktung der Patente per
Lizenzvergabe.
Grund: eine
Unternehmensgründung auf Basis von Patenten würde die sofortige Insolvenz
bedeuten, weil sie betriebswirtschaftlich nur im Umfang der bereits nach ihnen
produzierten Produkte bewertet werden.
· Bildung
je eines Joint Venture mit den potentiellen Herstellern:
1.
für Antriebsmodul 1: Baumeister GmbH
& Co. KG, 72336 Balingen-Ostdorf
2.
für die übrigen Teile des Sessels: Winzer
GmbH & Co. KG, 96253 Untersiemau
durch
Realisierung der bereits vorliegenden Kooperationsangebote mittels
Vertragsabschluss. (s. A:)
3. für Antriebsmodul 2: Lizenzvergabe an
potentiellen Hersteller GBN Systems GmbH, 85656 Buch
(Fachliche Begleitung
und Ausarbeitung der Verträge und der Gründung: RAe Runge·Findeisen, Köln)
Der
zu gründende Verein und die drei obigen Unternehmen sind in Deutschland
ansässig und gewährleisten die Umsetzung der Forschungs- und
Entwicklungsergebnisse in Deutschland.
Da
neben diesem Szenario auch alternative Angebote vorliegen, (z.B. zur
Lizenznahme auch für den Sessel) übernimmt G. Schon vorerst allein die
Verwertungspflicht. Sie wäre Kunde des Herstellers von Modul 2, da dieses in
Lizenz entwickelt und hergestellt werden soll.
· Entwicklung,
Konstruktion und Herstellung einiger Prototypen der beiden
Antriebsmodulvarianten
Bereits in der
FE-Phase ist zu berücksichtigen, dass für das spätere Produkt eine
Zertifizierung nach EN 46001 angestrebt wird, um die folgenden Punkte erfüllen
zu können:
o
CE-Regelung nach EWG Richtlinie 93/42 EWG und dem nationalen MPG
(auch Berücksichtigung der
MPBetreibV)
o
Anmeldung über den medizinisch technischen Dienst
o
Beantragung einer Hilfsmittelnummer zur Abrechnung bei regulären
Kostenträgern
o
Beantragung der Aufnahme in das Hilfsmittelverzeichnis der
Kostenträger.
· Design,
Entwicklung und Konstruktion der übrigen, innovativen Sesselteile (Kooperation Winzer)
· Herstellung
einiger Prototypen des kompletten Sessels
· Zertifizierung
mit Unterstützung durch den Rollstuhlhersteller oder MED/CERT, Volkmer Management,
Fischer Management, bei TÜV oder LGA, oder direkt beim MDS des IKK
Bundesverbandes.
· Zulassung
für die USA durch UL International(UK) oder direkt bei der FDA entsprechend FDA
510 (k), (in compliance to UL2601-1, CSA 601.1, IEC 60601.1, and CE marking
ISO)
· Herstellung
und Vertrieb des „Spinemover“ in der
leichten Ausbauform als Sessel für alle Menschen, unabhängig von deren
Gehfähigkeit, zum individuellen Einsatz im Seniorenheim oder zu Hause.
Eine Gründung zwecks Fertigung mit gründungsbedingter,
langsamer Markteinführung ist nur mit diesem Sessel möglich. Er wird ähnlich
aussehen, wie bekannte Wellness- oder Vibrationssessel und wie diese über den
Fachhandel vertrieben werden. Er wird im Gegensatz zu unbewegten Sesseln jedoch
eine medizinische Wirkung haben und durch die sichtbare Bewegung der Sitzfläche
als „eyecatcher“ wirken.