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1.1 Sportmedizin - Häufige Verletzungen am Knie

Knieschmerzen können in den unterschiedlichsten Situationen auftreten und nicht immer ist den Betroffenen die Ursache dafür klar. Häufig ist eine sportliche Über- oder Fehlbelastung die Ursache für unerklärliche Schmerzen, aber auch alltägliche Bewegungen können zu einer solchen Überlastung führen. Manchmal werden auch Stürze oder Fehlbewegungen zur Ursache für den Schmerz.

Je nach Ursache, die bei einem Facharzt oder Ärztin geklärt wird, wird als Behandlung der Schmerzen Ruhe, Physiotherapie, Bandagen, Einlagen oder Kompressionsstrümpfe empfohlen. Häufige Gründe für Knieschmerzen sind muskuläres Ungleichgewicht, Fehlstellung, Überbelastung oder Fehlbelastung bei sportlichen Aktivitäten, es könnte aber vor allem bei weiblichen Personen auch zyklusbedingte Ursachen geben, die ein höheres Risiko eines Kreuzbandriss bedingen.

1.2 Interview mit Expertin

Um ein besseres Verständnis für den Gebrauch, die Wirkungen und Anforderungen einer Bandage zu bekommen haben wir Bekannte in unserem Umfeld interviewt, unter anderem Bettina Austrup:

INTERVIEW mit Bettina Austrup, Physiotherapeutin und Sportlerin

Was sind die häufigen Ursachen für Kniebeschwerden?

Die meisten Probleme sind am Meniskus, innen und außen-Meniskus, Kreuzband (Orthesen) leichte Innenrotation in der Endstreckung, Innen- und Außenbänder die schnell überdehnt werden wenn man weg knickt, vor allem öfter betroffen ist hier das Innenband, Schäden hinter der Kniescheibe die Patella, der Übergang vom Oberschenkelmuskel zum Knie das betroffen sein kann.

Wodurch passieren die meisten Verletzungen?

Kreuzbandriss entsteht, wenn der Fuß stehen bleibt und eine Oberkörperrotation eintritt. Die Bänder sind betroffen, wenn man einen seitlichen Stoß bekommt. Arthrose und Meniskusprobleme passieren ständig im Alter durch lange Nutzung. Überbeanspruchung der Bänder von Innen und Außen durch viel Stress und können reißen. Beim Laufen wird der Meniskus durch die Stoßbelastung beansprucht und um den Untergrund auszubalancieren die Menisci.

Was machen Bandagen?

Es stützt durch die Kompression das Knie, gibt Halt achsengerecht und um die Patella. Die Sehne des Oberschenkels, die über die Kniescheibe geht, diese fixiert und am Unterschenkel ansetzt, schmerzt oft an genau dem Punkt unter der Kniescheibe. Pelotte der Bandage geht um die Kniescheibe und massiert auch diesen Punkt und fixiert die Kniescheibe, trägt zu einem angenehmen Gefühl bei. Man kann das Knie trotzdem gut beugen und es schränkt nicht ein in der Kniekehle.

Der Oberschenkel wird dafür gemessen und es gibt meistens 3 Größen. Es gibt auch einfacherer mit Stretchgewebe.

Was angenehm ist, ist wenn das Knie noch achsengerecht unterstützt wird und mit einer Beugung mitgeht.

Braucht es immer eine starke Kompression?

Für den Sport ja und für die Aktivitäten schon. Es bedarf auch Ruhephasen, damit die Blutzirkulation wieder läuft und Luft an die Haut kommt. Für den Alltag wäre eine dünne Bandage, die unter die Klamotten passt, angenehm und eine leichte Unterstützung bei Alltagsaktivitäten, die nicht so viel Belastung beanspruchen.

Vielleicht ein Strumpf.

Was stört dich persönlich beim Tragen einer Bandage?

Ich benutze selber die Bauerfeind Bandage für das Knie beim Tennis. Sie braucht lange, um zu trocken, vor allem nach dem Sport, weil ich stark darunter schwitze. Naturmaterialien wären vielleicht atmungsaktiver.

Wird die Bandage hauptsächlich an Behandlung benutzt?

Ja, weil es nach einem Befund eingesetzt wird, um die Schmerzen zu kompensieren. Prophylaktisch starke Bandagen einzusetzen, könnte zu sehr die Muskelbeanspruchung reduzieren, sodass die Muskelmasse abnimmt. Es ist wichtig weiterhin die kleinen Ungleichmäßigkeiten auszubalancieren im Sprunggelenk und dem Knie, damit die Tiefensensorik beansprucht wird.

Das Gelenk besitzt wenig Knochenfläche und besteht meistens aus Sehnen. Um die Muskulatur aufzubauen, braucht man eher den Muskelbauch, der trainiert werden sollte.

Welche Hauptfunktion muss eine Bandage erfüllen?

Hauptsächlich um den Schmerz zu nehmen und kontrollierte Unterstützung zu geben, damit man weiterhin den Muskel aufbauen kann durch sein Training. Mit der Belastung sollte man runtergehen, damit es irgendwann wieder ohne Bandage funktioniert.

Langwieriger Prozess. Deswegen darf sie nicht zu dick sein, damit du die Funktion noch ausführen kannst, vielleicht nicht endgradig aber mit einem gewissen Maß, und später wieder das Knie voller Belastung aushält (-> was ist mit Übergangsphase?)

Wie funktioniert die Schmerzlinderung?

Durch das dick Gewebe der Bandage und man dann zum Schwitzen kommt, da der Körper beim Sport eh überhitzt. Der Stoff selbst braucht eigentlich gar nicht zu wärmen. Bei einer Überbelastung kommt es sogar meistens zur Schwellung, die Kühlung braucht. Wärme ist gut bei Verspannungen, um die Gefäße zu erweitern, bei Schwellungen ist es sinnvoller Luft, Blutzirkulation und Kühlung zu gewährleisten und deswegen die Bandage abzunehmen. Im Alltag braucht man nicht unbedingt kühlen, außer man ist sehr aktiv.

Und was unterbindet/beschränkt eine Bandage denn alles?

Überbelastung, Fehlbelastung. Anatomische Gründe, Fehlstellung von x-beinen O-beinen, das führt zu einer Überbelastung der Innen- oder Außensehne. Die Beanspruchung fällt vor allem auf den Außenmeniskus -> könnte man seitlich unterstützen durch Metall

Bei dem Krankheitsbild von O-Beinen zum Beispiel ist innen die Belastung, starke Kompression und Außen ist man überdehnt, Fehlstellungen kann man nicht mehr korrigieren, wenn du ausgewachsen bist.

1.3 Behandlungsmethoden

Herkömmliche Bandagen

Kniebandagen werden zur Therapie von Kniebeschwerden, zur Rehabilitation nach Verletzungen und Operationen sowie prophylaktisch zum Schutz vor Verletzungen und Erkrankungen eingesetzt. Die Kniebandage verleiht durch ihre Stützwirkung Halt sowie Stabilität und schützt das Knie vor äußeren Einwirkungen.

- Wärme und Kompression

- Integrierte Druckpunkte

- flexible Kunststoffstäbe

- Nahtloses Rundstrick

Wirkung:

Die Bandage entlastet das Kniegelenk, damit nicht mehr so viel Kraft auf den Bändern liegt.

Wie?:

Durch Druck werden die Areale im Knie stimuliert und somit die Muskulatur aktiviert. Außerdem werden die Sinneszellen der Haut und Rezeptoren im tiefer liegenden Gewebe stimuliert.

Zudem hält die Bandage die Kniescheibe mittig, die Pelotte sichert die Kniescheibe und massiert mit ihren Massagenoppen besonders schmerzhafte Bereiche. Die Komponenten und das Gestrick kurbeln außerdem über Wechselkompression den Stoffwechsel im gesamten Knie an.

Kompressionsstrümpfe

Diese sind spezielle Gestricke aus Mikrofaser und üben

Druck auf die Blutgefäße aus. Dadurch wird die Muskelpumpe verbessert und es gibt nur eine geringe Zunahme des Beinvolumens.

Das optimale Leistungsniveau führt zu einer schnellen Abtransport von bspw. Laktat und somit zur schnelleren Regeneration.

Ideenfindung

2.1 Probleme herkömmlicher Bandagen

Durch Interviews und Gespräche mit Expert*innen und Nutzer*innen von Bandagen sind wir auf einige negative Auffälligkeiten gestoßen, vor allem das die verordneten Bandagen nicht so häufig getragen werden wie sie sollten weil sie oft unangenehm und auftragend sind. Statt sie im Alltag zu benutzen als Unterstützung werden sie häufig nur beim Sport angezogen und unter ihrem wärmenden Strick schwitzt man unangenehm und es entstehen Schwellungen.

2.2 Ideen zur Verbesserung

Um einen angenehmeren und öfteren Tragekomfort zu bieten, gibt es einige mögliche Verbesserungen, die wir in 3 Ziele zusammengeführt haben und für ein neues Design getestet haben.

Statt einer vorgefertigten Bandage, die man oft in Konfektionsgrößen in Sportgeschäften erwerben kann, wollen wir eine personifizierte Bandage erstellen, die an die jeweiligen Beschwerden und Verletzungen angepasst wird.

Sie soll alltagstauglicher werden, damit die Anzahl der Anwendung erhöht wird und somit eine schnellere Genesung eintreten kann und haben somit eine neue Form von Kompression ausprobiert, die auf die Bandage hinzugefügt werden kann.

Design

3.1 Konzept

Für unser Konzept haben wir ein neues Verfahren zur Herstellung von Bandagen entwickelt, das über 3D Programme Flächen gestalten kann. Mit der Nutzung von parametrischen Design, was auch oft in der Architektur angewendet wird, kann ein Muster erstellt werden, das gezielt Kompression an gewünschten Flächen aufbauen kann.

Anwendung

4.1 User-Journey

1. Arztbesuch

Der Patient leidet unter Kniebeschwerden und besucht daraufhin einen Arzt/Orthopäden. Dieser stellt nach der Untersuchung eine Diagnose und verschreibt dem Patienten eine Kniebandage. Daraufhin besucht der Patient ein Sanitätshaus, um eine Bandage anpassen zu lassen.

2. 3D-Scan

Dort wird das zu behandelnde Kniegelenk mit einem 3D-Scanner gescannt. Mithilfe des 3D-Scans kann ein genaues Abbild des Knies erzeugt werden, woran die Bandage angepasst wird. Der Scan und die Diagnose des behandelnden Arztes sind Grundlage für die Herstellung der Kniebandage.

3. Erstellung des Schnittmusters

In einem dafür entwickelten Programm wird anhand der ärztlichen Diagnose ein Schnittmuster mit den jeweiligen Kompressionsfedern erstellt. In einer Datenbank werden verschiedene Krankheitsbilder und deren Therapiemöglichkeiten gesammelt, um den Patient*innen bestmöglichst unterstützen zu können.

4. 3D-Druck

Anschließend wird das Pattern aus TPU Filament mit einem 3D-Drucker auf das Textil aufgedruckt. Die Fertigstellung der Bandage findet an der Nähmaschine statt.

5. Nutzung

Sobald die Kniebandage gefertigt wurde, wird sie dem Patienten zugeschickt, welcher sie trägt und ohne Beschwerden durch den Alltag gehen kann.

Herstellungsweise

5.1 3D-Druck auf Stoff

Anhand des 3D-Druckes wird der Bereich der Bandage festgelegt. Für diesen Bereich wird dann erstmal das Schnittmuster nach den Maßen des Beines erstellt.

In dem autonomen Verfahren wird mithilfe der Diagnose durch den Arzt und einer Datenbank das Druckmuster erstellt, welches genau an die Bedürfnisse des Patienten angepasst ist.

Sobald beides feststeht, wird der 3D-Druck gestartet. Das Lycra-Textil wird auf die Druckplatte gespannt und das Pattern wird darauf angeordnet und gedruckt. In unserem Fall haben wir vier Mal gedruckt, dabei ist es wichtig exakt zu arbeiten, sodass das Muster nahtlose Übergänge hat.

5.2 Erprobung des Stoff-Druck Verhältnisses/Kompression

Bei der Entwicklung des Musters haben wir mit den verschiedenen Faktoren getestet und zahlreiche Varianten getestet. Bei dem Muster selber ging es viel um die Größe der Elemente und ihren Abstand zueinander. Außerdem haben wir auch mit der Dicke der Elemente experimentiert, um zu vermeiden, dass sich die Elemente vom Stoff lösen, aber trotzdem ihre Wirkung behalten.

Erste Versuche haben wir mit PLA und einem 3D-Druckstift sowie Silikon durchgeführt. Allerdings eignete TPU sich wesentlich besser, da der Stoff flexibel bleibt und sich dem Körper anpasst und die Elemente besser haften können. Zudem haben wir verschiedene Textilien getestet - u.a. Mesh und Stricke - und uns schließlich für ein Lycra-Textil entschieden, der zu 80% aus Polyamid und 20% Lycra besteht. Lycra-Textil ist atmungsaktiv, dehnbar ohne seine Form zu verlieren und strapazierfähig und waschbeständig.

Bei den Formen haben wir vorerst geordnete Muster aus Kreisen, Linien und Hexagone getestet und uns dann für ein Voronoi-Muster entschieden (dazu mehr unter 5.4 Druckmuster/Pattern).

Die Versuche bedürfen auch langes Tüfteln an den Druckeinstellungen, damit die Elemente gut haften bleiben, das Textil nicht einbrennt und allgemein ein gleichmäßiges, schönes Finish bleibt.

Mit diesen Erprobungen konnten wir unterschiedliche Dehnbarkeiten mithilfe der Verdichtung des Musters und damit die Möglichkeit der Steuerung der Kompression erzielen. Die Bandage verhält sich wie eine zweite Haut und passt sich angenehm an das Knie an.

5.3 Schnittmuster

Für das Schnittmuster wird zuerst der Bereich der Bandage am Knie festgelegt. Von dem 3D-Scan wird das Schnittmuster abgewickelt und Maße können festgelegt werden. Das Schnittmuster hilft dabei die einzelnen Kompressionsflächen für das Druckmuster festzulegen.

5.4 Druckmuster/Pattern

Bei dem Pattern haben wir uns für ein sog. Voronoi-Muster entschieden. Es ist ein Muster aus randomisierten Formen, die in Größe und Abstand kontrolliert variieren. Das Pattern hat drei maßgebliche Stufen - Leicht, Mittel und Dicht. Sie variieren in Größe und Abstand sowie der Füllung. Beim obigen Beispiel ist die mittlere Dichte rund um die Kniescheibe, die Elemente sind dicht beieinander, aber nicht ausgefüllt. In den Bereichen leichter Verstärkung sind die Elemente kleiner und mit größerem Abstand zueinander angeordnet und für die dichte Verstärkung sind große Elemente nah beieinander angeordnet.

5.4.1 Effekt

Die Variation im Pattern lassen weniger oder mehr Dehnbarkeit zu. Unterschiedliche Anordnungen der Elemente lassen Dehnung in unterschiedliche Richtungen zu (s. oben). In den dichten Bereichen ist der Stoff kaum bis gar nicht dehnbar und somit sehr stabil. Bei der mittleren Dichte lässt sich der Stoff auf bis zu 1,5-fache Breite dehnen und bei der leichten Verstärkung aus bis zu 2-facher Breite.

5.4.2 Anpassung Krankheitsbild

EMBRACE ermöglicht es, die Kniebandage an jedes Krankheitsbild und jeden Körper anzupassen. Für verschiedene Krankheitsbilder werden die Elemente dementsprechend angeordnet, wo verstärkt Unterstützung benötigt wird. Beispielsweise soll das Knie bei Arthrose unterstützt und somit entlastet werden. Bei einem Kreuzbandriss liegt der Fokus allerdings mehr auf der Verhinderung von Rotationsbewegungen, weshalb dort eine Verstärkung entlang des Knies und rund um die Kniescheibe wichtiger ist.

One Step Smarter

Das Prinzip des 3D-Druckes ermöglicht es auch, aus der Kniebandage eine smarte Kniebandage zu machen. Dafür werden zusätzlich zu dem Pattern Module auf den Stoff gedruckt, in die Technik eingebaut werden kann, die die Aktivitäten des Knies messen und aufzeichnen. Diese sog. Clip-on-Cases beinhalten einen Arduino Nano und zwei Beschleunigungssensoren - einen seitlich am Oberschenkel und einen seitlich an der Wade. Die einzelnen Module sind mit einem leitenden Faden verbunden.

Die Beschleunigungssensoren messen Beugung, Streckung und Rotation des Gelenkes. Diese Daten werden per WLAN-Übertragung an den behandelnden Arzt weitergegeben und dieser hat somit einen klareren Überblick über die Belastung des Knies und kann einfacher diagnostizieren und gezielter behandeln.

Finaler Prototyp

Extra Bildmaterial und Proben

Abschlusspräsentation