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6  Ergebnisse

6.1 Experimenteller Teil

6.1.1  Versuchsmustertests

Die Versuchsmuster bestanden aus Glasauge, Lidmembran und Öffnungsmechanik. Als Lidmaterial wurde Latex und Silikon und als mögliche Öffnungsmechanik, der Hebelarmbügel bzw. die Zugdrahtführung getestet (Kap 5.1.1).

Als Oberlidmaterial zeigte manuell verarbeitetes Silikon eine optimale Kosmetik. Sehr dünne individuell hergestellte Membranen aus Silikon konnten mit den traditionell angewendeten Gipsformen allerdings nicht produziert werden. Dünnere individuelle Folien wären nur im Hochdruck-Spritzgußverfahren herstellbar. Bei der individuellen Herstellung druckfester Formen z.B. aus Gießharzen mit Aluminiumpulverfüllung (MCP-Gießharze) hätten die nötigen Investitionen in den Formenbau in keiner vernünftigen Relation zu der jeweiligen Einzelanfertigung gestanden. Diese Variante mußte deswegen verworfen werden. Zudem wäre das Risiko der Durchsichtigkeit einer solchen Lidmembran geblieben, wenn das transparente Silikon bei den gewünschten Schichtdicken von max. 0,2mm nicht ausreichend hätte eingefärbt werden können. Industriell hergestellte Silikonmembranen waren dünn genug mit guten elastischen Eigenschaften erhältlich. Sie waren aber nicht an die Farbe des Silikonmantels der Epithese anzupassen.

Latexfolien konnten nach der Urformung thermisch umgeformt werden, versprödeten aber bei dieser Formgebung und entsprachen kosmetisch nicht dem hohen Standard der Epithesengestaltung. Latexmilch, in Formen gegossen oder verspritzt, erfuhr bei der Urformung keine Versprödung, war mit den Parametern Elastizität und Schichtdicke der industriellen Silikonmembran ebenbürtig und mittels spezieller Pigmentierung einfärbbar und der Silikonfarbgebung der Epithese anzupassen.

Das Prinzip des umlaufenden Bügels zeigte sich mechanisch und kosmetisch als nicht geeignet. Bei der Ausführung des Lides in handvergossenem Epithesensilikon riß aufgrund der herstellungsbedingten zu großen Schichtdicke des Oberlides der Bügel aus der Lidunterkante aus. Bei den Mustern mit der industriellen Silikonmembran und den zwei Latexmembranen führten Überdehnungen in der Membran zur Rißbildung in den Augenwinkeln, da die Kinematik des Bügels nicht mit der des Oberlides übereinstimmte. Auch waren die Lagerstellen des Bügels in die unmittelbare Nähe der Augenwinkel gelegt. Für die ungehinderte Beweglichkeit waren diese Lager freizuhalten. Bei überwiegend geöffnetem Auge war der so entstandene Spalt zwischen Oberlid und Glasauge stets einsichtig und somit kosmetisch ungünstig.


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Die Integration des Zuggurtungsprinzips in das Versuchsmuster mit einem Oberlid aus handvergossenem Silikon ließ erkennen, daß die derzeit dünnsten manuell auspreßbaren Silikonschichtdicken zu dick waren. Die gemessenen erforderlichen Lidöffnungskräfte waren viel zu groß. Das Versuchsmuster mit einer industriell hergestellten Silikonmembran mit dem Zuggurtungsprinzip war mechanisch stabil. Auch bei den Versuchsmustern mit der gegossenen und verformten Latexmembran mit Zugdraht wurden keine Materialermüdungen festgestellt.

Die Vor- und Nachteile der zwei Prinzipien der mechanischen Kraftübertragung lassen sich in Tab. 8 zusammenfassen.

Tab. 8: Prinzipien der mechanischen Kraftübertragung

 

Vorteile

Nachteile

Lidbügel umlaufend
mit Lagerstellen und def. Drehpunkt

Reibarme Lagerung,
Hebel zur Einleitung der Stellkräfte/ -momente,
rotatorische Bewegung,
kleine Betätigungswege über Hebelarm

Drehpunkt außerhalb des Lidschlitzes,
Kinematik: Bügel Ø Oberlid,
Rißbildung in Lidwinkeln durch Überdehnung des Materials,
große Momente

Lidbügel Unterkante-Oberlid
Zugdraht über Polkappe des Glasauges

Elastische Membranlagerung des Bügels in den Lidwinkeln
durch die Lidmembran,
zentrale Krafteinleitung,
Nachbildung des physiologischen Prinzips

Verbindung des Bügels mit der Membran,
Betätigungsweg = Stellweg des Aktuators

Die mit einer Federwaage gemessenen Lidöffnungskräfte bzw. -momente bei den Versuchsmustern zeigten durchgehend annähernd lineare Federkennlinien der verwendeten Membranmaterialien, jedoch erhebliche Unterschiede in den Federsteifigkeiten der künstlichen Lider. Die notwendige Größe der gespeicherten Federenergie im Lid für einen zügigen Lidschluß stand hierbei im Widerspruch zu einer möglichst geringen Betätigungskraft für die motorisierte Öffnungsbewegung.

Es zeigte sich, daß gegossene Latexmilch mit der Zuggurtungsmechanik mit 0,4 N die niedrigsten Lidöffnungskräfte bei ausreichender Lidschlußfähigkeit benötigte (Tab. 9).

Tab. 9: Öffnungskräfte / -momente ausgewählter Versuchsmuster

Membranwerkstoff / Übertragungselement

Öffnungskraft / -moment

Silikonmembran / Zugdraht

1,6 bis 1,8 N

Verformte Latexfolie / Zugdraht

3 N

Verformte Latexfolie / Hebelarm-Bügel

3,5 Ncm

Vergossene Latexmilch / Zugdraht

0,4 N

Als Fazit der Versuche konnte festgehalten werden, daß eine separat gefertigte Membran (gegossene Latexmilch) in Kombination mit dem Zuggurtungsprinzip die kosmetisch und mechanisch günstigste Variante für das künstliche Oberlid war. Mit der kaltvulkanisierenden Latexmilch konnte über Gipsformen die farbechte, formgerechte Gestaltung dieser dünnen und elastischen Membran erfolgen. Die Farbgebung erfolgte mit Pigmenten eines dermatologisch unbedenklichen Camouflage-Systems. Die [Seite 49↓]Öffnung des Lides erfolgte aktiv, die Schließbewegung wurde durch die in der Membran gespeicherte Federenergie erzeugt.

6.1.2  Abstimmung der Lidbewegung

Entscheidend für die Funktion der künstlichen Lidbewegung war die exakte Abstimmung der drei geometrischen Partner Augenprothese, Gleitbügel und Lidmembran. Ausgangsbasis war die individuell durch den Okularisten nach Farbe, Größe und Form hergestellte Augenprothese aus Glas mit aufgeschmolzenen Farbgläsern für Iris und Pupille. Diese Augenprothesen variierten hinsichtlich Breite, Höhe und Tiefe (Abb. 72).

Um eine Vorstellung der Größenausdehnung der Augenschalen zu bekommen, wurden sieben willkürlich ausgewählte Augenschalen aus Glas in den drei Raumrichtungen abgemessen (Abb. 73). Tab. 10 zeigt die einzelnen Ergebnisse. Im Mittel ergaben sich folgende Werte: a = 26,1mm; b = 23,3mm; c = 11,8mm.

Abb. 72: Individuell hergestellte Augenprothesen

Abb. 73: Augenprothesengeometrie

(a = Länge; b = Breite; c = Tiefe)

Tab. 10: Augenprothesengeometrie (a = Länge; b = Breite; c = Tiefe)

N

a [mm]

b [mm]

c [mm]

1

25,5

22,5

9,7

2

24,8

22,2

11,3

3

27,5

24,0

9,3

4

27,3

24,6

13,4

5

24,3

21,5

12,6

6

25,8

23,7

11,8

7

27,5

24,4

14,3

Mittelwert

26,1

23,3

11,8

Einerseits zeigten die Messungen den zur Verfügung stehenden Platz für die Komponenten, die hinter der Augenschale gelagert werden sollten, andererseits die Individualität der Ausgangsbasis Augenprothese, so daß auch die Formgebung der bei der Lidbewegung beteiligten Komponenten Gleitbügel und Lidmembran individuell erfolgen mußte.


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Die Augenprothese stellte als Hohlkörper anteilig Volumen zur Verfügung, das für die Unterbringung von Systemkomponenten der Orbitaepithese mit beweglichem Oberlid genutzt werden konnte. Daher war geplant, hinter dem Auge sowohl die Elektronik zur EMG-Verarbeitung als auch die Elektronik für die Antriebsansteuerung unterzubringen. Diese Komponenten waren standardisiert und benötigten Befestigungspunkte gleicher Ausdehnung, unabhängig von der individuellen Augengröße. Aus diesem Grund wurde die Augenprothese außerhalb des Lidschlitzes in eine Kunststoffschale eingebettet. Die Schale wurde durch Umspritzen der Augenprothese in einer elastischen Form mit kaltaushärtendem Acrylat – Kunststoff (Palamed®) geformt. Auf diese Weise entstand eine Augenschale, die mit der Augenprothese einen festen Verbund bildete und bei einer Wandstärke von 1,5 bis 2mm eine mechanisch stabile Befestigungsplattform für andere Funktionseinheiten darstellte (Abb. 74, Abb. 75).

Abb. 74: Form für den Schalenguß

Abb. 75: Umgossene Augenprothese

Bei der Formung der Lidmembran, die sowohl auf die Geometrie des Glasauges als auch auf die Lidbewegung abgestimmt werden mußte, hatte sich gezeigt, daß die Homogenität der Schichtdicke ebenso bedeutsam war wie die spezielle Formgestaltung zur Unterstützung eines definierten Faltenwurfes. Berücksichtigte man diese Faktoren, konnte man den Faltenwurf des geöffneten Lides weitgehend an das natürliche Vorbild anpassen. Über Gipsformen konnte die Lidmembran den individuell verschiedenen Glasaugengeometrien gestalterisch angepaßt werden. Bei der Formgebung der Membran war auch auf die Ausbildung der Lidunterkante zu achten, da sie den Gleitbügel für das Prinzip der Zuggurtung aufzunehmen hatte.

Der Faltenwurf der Membran führte zu einer Materialanhäufung bei der Öffnungsbewegung. Wurde die Geometrie des Glasauges in der Membran abgebildet, rief diese Anhäufung drei Probleme hervor: das Zugseil klemmte, der Gummifilm haftete auf der Augenoberfläche und durch innere Reibung entstand ein Federenergieverlust, was alles in allem die Schließbewegung hemmte. Die Formgebung der Membran hatte diese Probleme zu berücksichtigen. Durch temporäre Beschichtung des Auges mit Wachs konnten Gipsformen für Lidmembranen hergestellt werden, die einen ausreichenden Freiraum zwischen Glaskörper und Latexmembran sicherstellten. Um das Verhalten bei der Faltenbildung zu beeinflussen, wurden zusätzliche Rillen in diese Formen eingebracht. Sie entsprachen dem Radius der [Seite 51↓]Lidschlitzoberkante bzw. der Lidschlitzunterkante. Diese Ausprägungen haben die Reproduzierbarkeit des Faltenwurfes deutlich verbessert.

Zur Herstellung der Lider mit reproduzierbarer Dicke und Homogenität wurden verschiedene Verfahren qualitativ erprobt: zum einen das manuelle Ausstreichen der Latexmilch, zum anderen Gieß- und Spritzverfahren. Der schichtweise Aufbau der Membran durch eine definierte Anzahl von Beschichtungen der Form mittels Spritzpistole erbrachte keine bessere Homogenität als das Gießverfahren. Mit einer gewässerten Gipsform, die der Latexmilch nicht zu schnell Feuchtigkeit entzog und somit den Prozeß der Vulkanisierung verlangsamte, waren durch Ausgießen der Form gute und reproduzierbare Ergebnisse erzielt worden (Abb. 76). Es entstanden Latexlider mit Schichtdicken zwischen 0,14 und 0,16mm (Abb. 77).

Abb. 76: Gipsformen für Lidmembranen

Abb. 77: Latex-Lidmembranen

Die Geometrie des Gleitbügels mußte mit der Kontur der Augenprothese übereinstimmen, weil zwischen diesen beiden während der Bewegung des Lides Kontakt bestand. Entsprach die Krümmung des Bügels nicht der des Auges, bewirkte die Verspannung der Lidmembran regional erhöhte Andruckkräfte zwischen Bügel und Auge, die sich nachteilig auf den Gesamtwirkungsgrad auswirkten. Gefertigt wurde dieser Gleitbügel aus Acrylat - Kunststoff (Palamed®), mit dem eine Oberfläche geringer Rauhtiefe hergestellt werden konnte und das sich als Reibpartner von Glas gut eignete. Hinzu kommt, daß er nach der Polymerisation unter Temperatureintrag plastisch verformbar war. Bei der individuellen Fertigung des Bügels wurde die Glasaugengeometrie abgeformt und in diese Form die Kontur des Bügels eingearbeitet. Bei einer teilweise standardisierten Herstellung dieser Komponente war allerdings eine andere Vorgehensweise besser zu handhaben: Um einen homogenen Bügelquerschnitt zu erzeugen, wurde Acrylat - Kunststoff (Palamed®) in Silikonformen zu Ringrohlingen verspritzt. Aus diesem Ring wurde dann ein der Lidschlitzbreite entsprechender Teil ausgeschnitten, an den Enden verjüngt und abschließend unter Temperaturzugabe durch plastische Verformung der Augengeometrie angepaßt (Abb. 78).


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Abb. 78: Silikonform, Ringrohling und fertiger Gleitbügel

Abb. 79: Gleitbügel und Lid

Auf der Außenseite wurde der Bügel mit einer Kreuzschlitzstruktur versehen, um beim Eingießen des Bügels mit Latex in der Lidunterkante einen formschlüssigen Verbund zu erzeugen. Mittig erhielt der Bügel eine Kerbe, die das umschlungene Zugseil aufnahm (Abb. 79, Abb. 80). Die Notwendigkeit, den Bügel individuell anzupassen, stellte zwar einen separaten, zusätzlichen Arbeitsgang dar, hatte sich jedoch vom Ergebnis her als die beste Vorgehensweise erwiesen. Der Bügel wurde kürzer als der Lidschlitz gestaltet und mittig zwischen den Augenwinkeln positioniert; er spannte die Lidmembran, welche mit der Hartschale verklebt war, über den Lidschlitz.

Abb. 80: Lid mit montiertem Zugseil

Abb. 81: Zwischenträgerbaustein oberhalb des Lidschlitzes

Die Einbringung eines Bausteines zwischen dem Augenprothesenkörper bzw. der Palamed®-Schale und der Lidmembran war aus verschiedenen Gründen erforderlich. Einerseits hatte dieser Baustein einen Abstand zwischen Augenprothese und Membran zu schaffen, um einen reibungsarmen Faltenwurf der Membran zu garantieren. Andererseits hatte dieser Baustein die reibungsarme Beweglichkeit für das Zugseil zu ermöglichen, bis dieses durch die Seilführung hinter das Auge gelenkt wurde. Positioniert wurde dieser Zwischenträger ausschließlich oberhalb des Lidschlitzes. Dabei war die aufzubringende Schichtdicke mit 1mm gering. Durch die Varianz der Augenprothesen mußte dieser Baustein individuell der Augenprothese angepaßt werden (Abb. 81).

Neben der Abstandshalterfunktion für die faltbare Lidmembran war in diesen Baustein auch eine Freihaltung zu integrieren, die dem Zugseil freie Beweglichkeit gewährleistete. Dieser Kanal mußte über den Pol des Auges weisend von der Oberkante des Lidschlitzes bis zur Seilführung reichen. Dieser Kanal [Seite 53↓]wie auch die gewölbte Oberkante des Lidschlitzes wurden aus einer Wachsschnur modelliert und anschließend der Zwischenträgerbaustein aus Acrylat - Kunststoff (Palamed®) aufgebracht.

Während die Schließbewegung durch die in der Membran gespeicherte Federenergie erzeugt wurde, erfolgte die Öffnung durch ein an dem Gleitbügel befestigtes Zugseil, das über das Kunstauge nach dorsal geführt wurde. Die notwendigen Zugkräfte wurden nicht nur durch die Federsteifigkeit der Lidmembran bestimmt, sondern auch wesentlich durch mögliche Reibungsverluste in der Seilführung beeinflußt. Entlang dieser Führung wurde das Zugseil mehrfach umgelenkt. Zunächst paßte es sich bei geschlossenem Lid der Kontur des Glasauges an, mußte dann außerhalb des Lidschlitzes hinter das Auge geführt werden, um schließlich nach der Führung durch die hinter dem Auge plazierten Elektronikkomponenten um die Seilrolle des Antriebs geschlungen zu werden.

Um die Berührungsflächen zwischen Zugseil und Seilführung zu minimieren, wurde der Einsatz von Uhrenlagern, sog. Lochsteinen qualitativ untersucht, (Kap. 5.1.2), (Abb. 46). Bei diesen Lagern mit einem Außendurchmesser von 1,1mm hatte man die Durchgangslöcher oliviert. Die Bildung scharfer Kanten konnte auf diese Weise verhindert werden; die resultierende Länge der Berührungslinie in dem Loch betrug nur 0,1mm. Während diese Lager als Zapfenlager einen reibungsarmen Lauf von Ankern oder Rädern gewährleisten konnten, hatte sich ihr Einsatz in Kombination mit einem Zugseil nicht bewährt. In der Seilführung waren für die o.g. Umlenkungen zwei Lager notwendig. Einmal für die Durchführung durch die Augenschale und zum anderen für die Umlenkung auf den Antrieb. Dies funktionierte bei straff gespanntem Seil (Öffnungsbewegung), jedoch nicht bei der Schließbewegung. Gab der Antrieb für den Lidschluß Seil frei, kam es infolge der Trägheit der Lidmembran zur Losebildung im Zugseil und damit zum Verkanten dieses nicht starren Mediums in den Durchgangslöchern. Ein vollständiger Lidschluß war so nicht realisierbar.

Die besten Ergebnisse wurden hingegen erzielt, wenn als Seilführung eine Edelstahlkanüle verwendet wurde (Kap. 5.1.2), (Abb. 47). Mit einem Außendurchmesser von 1mm (Innendurchmesser 0,6mm) und abgerundeten Kanten an der Eintritts- und Austrittsseite bildete die Kanüle eine durchgehende Führung für das Seil, einschließlich der zwei o.g. Umlenkungen. Sie war in der Augenschale fixiert und reichte bis hinter die Elektronikplatinen in die Nähe des Antriebs (Abb. 82).


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Abb. 82: Schnittbild der Seilführung (rot), Kanüle (mit grünem Pfeil markiert)

Aufgrund der erwirkten Reibungsminimierung konnte der Durchmesser des Zugseiles aus Polyamid bis auf einen Durchmesser von 0,12mm und auf eine Tragkraft von 15 N reduziert werden.

Über eine geänderte Fadenlänge war es möglich, die Vorspannung der Latex – Lidmembran zu ändern und so das künstliche Lid individuell der Lage des natürlichen gesunden Oberlides zur Pupille anzupassen.

6.1.3  Antrieb

Zwei Stellantriebe, der bistabile Magnetantrieb und ein DC-Mikroantrieb (Fa. Portescap), kamen prinzipiell in Frage (Kap. 5.1.3). Beide Antriebskonzepte basierten auf der Umsetzung von einer Rotationsbewegung in eine lineare Bewegung. Dazu wurde eine Rolle und ein Zugseil, dessen Ende mit dem Bügel des Lides verbunden war, benutzt. Auf diese Weise konnte das Augenlid geöffnet werden, wobei der Drehwinkel der Rolle ca. 100° betrug. Der Lidschluß war ausschließlich durch die Federenergie des gummmielastischen künstlichen Augenlides realisiert, womit sich der Antrieb in dieser Drehrichtung im Leerlauf bewegte.

An die Motoren wurden verschiedene Anforderungen gestellt. Bei den Abmessungen des Motors mußten die Geometrie der Augenprothese – hinter dieser sollte der Antrieb Platz finden – und der zur Verfügung stehende begrenzte Platz in der Orbita berücksichtig werden (Kap. 6.2.1). Auch hatten sich der Spannungs- und Strombedarf des Antriebs an der zur Verfügung stehenden, in der Epithese integrierten Energiequelle mit maximal bereitgestellten Betriebsspannungen von ca. 3,6 V und Impulsströmen von ca. 180mA zu orientieren (Kap. 6.1.6). Die Betriebszeiten waren begrenzt durch die Zeiten für die natürliche Lidöffnungs- und Schließbewegung von ca. 150ms bzw. 100ms (Kap. 6.2.2). Zusätzlich mußte der Motor genügend Kräfte aufbringen, um die künstliche Lidmembran bewegen zu können, z.B. F ≈ 1,6 N, was der Öffnungskraft für eine Silikonmembran mit Zugdraht entsprach (Kap. 6.1.1). Darüber hinaus mußte vom [Seite 55↓]Antrieb das künstliche Lid entsprechend dem Lidöffnungsweg über eine Distanz von ca. 12mm bewegt werden können (Kap. 4).

6.1.3.1 Erprobung des bistabilen Magnetantriebs

Da bistabile elektromagnetische Antriebe mit den geforderten Leistungsdaten und der benötigten Baugröße nicht kommerziell zu beziehen waren, wurden sie konzipiert, aufgebaut und erprobt (Kap. 5.1.3).

Prototyp Nr. 1

Die erreichte Baugröße beim Prototyp Nr. 1 hatte einen Durchmesser von 15mm und eine Länge von 20,8mm. Das Gehäuse und der Schubkolben wurden aus dem Kunststoff Delrin gefertigt. Die Luftspaltlänge des Magnetsystems, d.h. der Abstand zwischen Spule und Stellkolben, lag bei ca. 1mm (Abb. 83, Abb. 85).

Abb. 83: Konstruktionsskizze des Prototypen Nr.1

1) Gehäuse, 2) Spule mit Eisentopf, 3) Stellkolben, 4) Kugellager, 5) elektrische Kontakte

Abb. 84: Verkanten des Stellkolbens beim Prototyp Nr.1


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Abb. 85: Prototyp Nr. 1 - in seinen zwei Endlagen

Nach Aufbau des Prototypen zeigte es sich, daß der Stellkolben, insbesondere im abgestoßenen Zustand, bei Bewegung mit der Hand zum Verkanten neigte (Abb. 84).

Dann wurde der Prototyp Nr. 1 in die in Abb. 50 beschriebene Vorrichtung eingespannt und auf stabile Endlagen untersucht. Bei abgestoßenem Magneten (bei geschlossenem Auge) war die Endlage stabil. Bei angezogenem Magneten (bei geöffnetem Auge) war die Endlage mit einer angenommenen Lastkraft des Augenlides (F ≈ 1,6 N – vergleichbar mit der Öffnungskraft Silikonmembran/ Zugdraht, Kap. 6.1.1) nicht stabil. Der Stellkolben wurde durch die Lastkraft in die andere Endlage (geschlossenes Auge) bewegt. Die Lastkraft wurde hier durch die Masse (m = 152 g) simuliert.

Auch wurde der Prototyp Nr. 1 ohne mechanische Belastung mit verschiedenen elektrischen Spannungen getestet (Abb. 51). Hierzu wurde die Spule des Antriebs an eine einstellbare Gleichspannungsquelle angeschlossen und die Spannungsquelle jeweils für kurze Zeit eingeschaltet. Die Einschaltdauer war dabei nicht genau definiert, da manuell ein- und ausgeschaltet wurde.

Die Beobachtungsergebnisse dieses Versuches sind in Tab. 11 dargestellt. Spannungen mit negativem Vorzeichen entsprachen der Bewegungsrichtung des Schubkolbens vom abgestoßenen Zustand zum angezogenen Zustand - entsprechend der Bewegung beim Öffnen des Auges, Ausgangszustand „Auge zu“, Spannungen mit positiven Vorzeichen entsprachen der entgegengesetzten Bewegungsrichtung.


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Tab. 11: Beobachtungsergebnisse des Versuches mit Prototyp Nr. 1

Nr.

Spannung(V)

Maximalstrom(mA)

Beobachtung

1

- 6

200

Es ist keine Bewegung des Kolbens erkennbar.

2

-12

400

Der Stellkolben bewegt sich nach Einschalten der Spannung, wenn er vorher ca. auf der Hälfte des Stellweges manuell gehalten wurde.

3

-18

600

Der Stellkolben bewegt sich nach Einschalten der Spannung, wenn er vorher ca. auf der Hälfte des Stellweges manuell gehalten wurde.

4

-24

800

Der Stellkolben bewegt sich von einer Endlage in die andere.

5

24

600

Es ist keine Bewegung des Kolbens erkennbar. Der Kolben läßt sich auch manuell zunehmend schwerer bewegen.

6

30

700

Es ist keine Bewegung des Kolbens erkennbar und läßt sich auch manuell nicht mehr bewegen. Bei Berührung mit der Hand ist eine deutliche Erwärmung fühlbar. Abbruch des Versuches.

Bei der anschließenden Demontage des Prototypen Nr. 1 zeigte sich, daß der Kunststoff innerhalb der Spule aufgeschmolzen war. Der Prototyp wurde dadurch zerstört. Aufgrund des vorzeitig abgebrochenen Versuches waren nur eingeschränkte Aussagen über die Funktion des Prototypen Nr. 1 möglich. Die Ursache des Bauteilversagens war, daß dem Prototypen deutlich zuviel Energie zugeführt wurde. Der Fehler lag in der unkontrollierten, viel zu hohen Dauer der Energiezufuhr und der damit verbundenen thermischen Überlastung. Für die nächsten Versuche war auf eine Begrenzung der Energiezufuhr zu achten, wobei diese auf das für die Funktion gerade notwendige Maß beschränkt werden mußte. Das starke Verkanten des Schubkolbens war in erster Linie auf eine mangelhafte axiale Führung des Schubkolbens zurückzuführen. Die unzureichende Haltekraft in der Endlage war dadurch bedingt, daß die erzielte Magnetkraft nicht ausreichte und aufgrund der Neigung zum Verkanten kein definierter Luftspalt gegeben war. Als negativ war zusätzlich zu bewerten, daß der Prototyp Nr. 1 für die geplante Anwendung zu große Spannungen bzw. Ströme benötigte, um sich von einer Endlage in die andere zu bewegen (Kap. 6.1.6).

In der Bewertung zeigten die Versuchsergebnisse, daß der Prototyp Nr. 1 die gestellten Anforderungen nicht erfüllte.

Prototyp Nr. 2

Durch grundsätzliche Neugestaltung der Führung, Realisierung einer Zwangsführung durch Kugeln, die in der Zwangsführungsnut rollten, wurde eine Verbesserung der axialen Führung des Stellkolbens im Prototypen Nr. 2 erreicht. Zur Vergrößerung der Haltekraft bei geöffnetem Auge wurde der Magnetdurchmesser vergrößert. Die Luftspaltlänge des Magnetsystems lag bei ca. 1mm. Abb. 86 zeigt die Konstruktionsskizze des 2. Prototypen.

Abb. 86: Konstruktionsskizze des Prototypen Nr. 2

1) Gehäuse, 2) Spule mit Eisentopf, 3) Stellkolben, 4) Fadenbefestigung, 5) Kugeln


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Die erreichte Baugröße des Prototypen Nr. 2 hatte einen Durchmesser von 14mm und eine Länge von 20,5mm. Das Gehäuse und der Schubkolben wurden auch aus dem Kunststoff Delrin gefertigt (Abb. 87).

Abb. 87: Prototyp Nr. 2

Bei Bewegung des Prototypen Nr. 2 von Hand wurde deutlich, daß dieser im Gegensatz zum Prototypen Nr. 1 nicht zum Verkanten neigte. Dann wurde der Prototyp Nr. 2 in die Vorrichtung (Abb. 50) eingespannt und ohne Energiezufuhr auf stabile Endlagen untersucht. Die Endlage „Auge zu“ war hierbei stabil. Da eine mögliche angenommene Belastung hier in Richtung der Endlage wirkte, stellte diese Endlage somit kein Problem dar. Für die Endlage „Auge auf“ wurde zunächst durch Belastung mit verschiedenen Massen diejenige Maximalbelastung ermittelt, für die diese Endlage stabil war. Daraufhin wurde der Prototyp Nr. 2 mit verschiedenen Massen belastet und jeweils sein Verhalten bei verschiedenen Spannungen und Einschaltdauern ermittelt. Infolge des Bauteilversagens durch zu starke Energiezufuhr beim Testen des Prototypen Nr. 1 wurde hier die Energiezufuhr durch ein einstellbares Zeitschaltrelais gesteuert. Hierdurch wurde die Energiezufuhr derart begrenzt, daß eine Überhitzung des Prototypen nicht mehr auftrat (Abb. 52).

Die Tabellen Tab. 12 und Tab. 13, sowie die Abbildungen Abb. 88 und Abb. 89, zeigen die Ergebnisse. Die Einschaltdauer beim Ausgangszustand „Auge auf“ wurde bei 50ms protokolliert, da für die längeren Einschaltdauern keine Veränderung gegenüber diesen Werten auftrat. Der Antrieb wurde als funktionierend betrachtet, wenn er bei entsprechenden Parametern stets eine Bewegung in die andere Endlage vollzog und diese Bewegung schnell genug ablief. Auf die Messung der Bewegungsdauer wurde dabei zunächst verzichtet. Die Bewegung galt hier als schnell genug, wenn sie bei augenscheinlicher Betrachtung nicht zu langsam erschien.


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Tab. 12: Parameter bei funktionierendem Antrieb des Prototyps Nr. 2 (Luftspaltlänge ca. 1mm) – Ausgangszustand: „Auge auf“

Belastung (g)

Kraft (cN)

Spannung (V)

Strom (mA)

43

42,18

14

279

40

39,24

14

279

35

34,34

14

279

30

29,43

15

299

25

24,53

17

399

20

19,62

20

399

15

14,72

23

458

10

9,81

26

518

Abb. 88: Kraft – Spannungs – Diagramm des Prototyps Nr. 2 (Luftspaltlänge ca.1mm) – Ausgangszustand: „Auge auf“

Tab. 13: Parameter bei funktionierendem Antrieb des Prototyps Nr. 2 (Luftspaltlänge ca. 1mm) - Ausgangszustand: „Auge zu“

Belastung (g)

Kraft (cN)

Spannung (V)

Strom (mA)

0

-

5

100

5

4,91

17

339

10

9,81

35

698

10

9,81

26

518

Abb. 89: Kraft – Spannungs – Diagramm des Prototyps Nr.2 (Luftspaltlänge ca. 1mm) – Ausgangszustand: „Auge zu“

Mit dem Prototypen Nr. 2 konnte ein funktionierender Antrieb realisiert werden. Der realisierbare Stellweg betrug für eine künstliche Lidbewegung ausreichende 12mm. Die Parameter entsprachen aber quantitativ nicht den Anforderungen für die vorgesehene Anwendung. Die Haltekraft in der Endlage bei [Seite 60↓]geöffnetem Auge war für das Augenlid zu gering. Wie aus Tabelle Tab. 12 und Tab. 13 hervorgeht, waren insbesondere auch die Werte für die erforderliche Spannung zur Bewegung des Antriebs zu hoch.

Ein weiterer Versuch mit dem Prototypen Nr. 2 , bei dem der Luftspalt auf nahe null eingestellt worden war, zeigten, daß 98 g Maximalbelastung für eine stabile Endlage „Auge auf“ erreicht werden konnte. Die Haltekraft war trotzdem weiterhin zu gering. Auch hatte dieses zur Folge, daß es nur noch mit extrem hohen Spannungen und bei sehr hohen Lasten möglich war, den Antrieb in die andere Endlage zu bewegen (Tab. 14, Abb. 90).

Tab. 14: Parameter bei funktionierendem Antrieb des Prototyps Nr. 2 (Luftspaltlänge ca. 0mm) – Ausgangszustand: „Auge auf“

Belastung (g)

Kraft (cN)

Spannung (V)

Strom (mA)

98

96,1

34

678

95

93,2

34

678

90

88,3

34

678

85

83,4

35

698

80

78,5

35

698

75

73,6

35

698

70

68,7

35

698

Abb. 90: Kraft – Spannungs – Diagramm des Prototyps Nr. 2 (Luftspaltlänge ca. 0mm) – Ausgangszustand: „Auge auf“

Um den realen Verhältnissen an einem künstlichen Augenlid näher zu sein als die zuvor gewählten Belastungen wurde mit dem Prototypen Nr. 2 – Luftspalt auf null eingestellt – der in Abb. 53 dargestellte Versuch durchgeführt, bei dem die Belastung nicht mit verschiedenen Massen, sondern mit einer vorgespannten Feder vorgenommen wurde. Die Lastkraft war in diesem Falle nicht konstant, sondern entsprach einem Teil einer Federkennlinie. Das Spannen der Feder entsprach dem Öffnen des Auges, das Entspannen der Feder entsprach dem Schließen des Auges. Zunächst wurde die Federkennlinie bestimmt. Die Aufnahme der Federkennlinie erfolgte dadurch, daß die Dehnung der aufgehängten Feder bei Belastung mit verschiedenen Massen gemessen wurde (Tab. 15, Abb. 91).


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Tab. 15: Aufnahme der Federkennlinie

Masse (g)

Abstand der Enden (mm)

Kraft (cN)

Längenänderung (mm)

3

69

2,9

0

5

70

4,9

1

10

72

9,8

3

15

74

14,7

5

20

76

19,6

7

30

81

29,4

12

40

84

39,2

15

Abb. 91: Federkennlinie (Der Kennlinienverlauf zwischen den Meßpunkten wurde als linear angenommen)

Danach wurde das Verhalten des Antriebs bei Belastung durch die vorgespannte Feder unter Einfluß verschiedener Spannungen und verschiedener Einschaltdauern untersucht. Dabei wurde auch die Federvorspannung variiert, damit der Antrieb verschiedene Abschnitte der Federkennlinie durchlaufen konnte. Das Verhalten des Antriebs bei verschiedenen Federkennlinien und verschiedenen Spannungsparametern zeigen die Tabelle Tab. 16 und Abbildung Abb. 92.

Tab. 16: Parameter bei funktionierendem Antrieb des Prototyps Nr. 2 (Luftspaltlänge ca. 0mm) – Ausgangszustand: „Auge zu“

Vorsp.
Kraft

Spannung
t=50ms

Strom

Spannung
t=100ms

Strom

Spannung
t=150ms

Strom

Spannung
t=400ms

Strom

cN

V

mA

V

MA

V

mA

V

mA

3

13

259

13

259

13

259

12

239

5

21

419

21

419

19

379

19

379

10

32

638

29

578

29

578

29

578


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Abb. 92: Vorspann – Spannungsdiagramm des Prototyps Nr. 2 (Luftspaltlänge ca. 0mm) – Ausgangszustand: „Auge zu“

Es wurde nur eine Bewegungsrichtung dokumentiert, da in der anderen Richtung auch bei maximaler Spannung der Spannungsquelle (U = 35 V) keine Bewegung auftrat. Die Last der Federkennlinie (F ≥ 15 cN) war schon zu groß, um vom Antrieb gespannt zu werden. Andererseits war die Last aller untersuchten Kennlinien zu klein, um die Gegenbewegung des Antriebs ausreichend zu unterstützen. Keine Federkennlinie existierte, die in beide Richtungen vom Antrieb bewegt werden konnte. Wie aus Tab. 16 hervorgeht, wurde durch die Verlängerung der Einschaltdauer nur eine unwesentliche Verringerung der Spannung erreicht.

Aufgrund der Erkenntnisse aus dem vorangegangenen Versuch wurde der Luftspalt des Prototypen Nr. 2 wieder vergrößert, um zu erreichen, daß der Antrieb sowohl anziehend als auch abstoßend funktionierte. Sonst blieb der Versuchsaufbau gleich. Durch den längeren Luftspalt reduzierte sich der Stellweg auf 10mm.

Tab. 17: Parameter bei funktionierendem Antrieb des Prototyps Nr. 2 (Luftspaltlänge ca.1mm) – Ausgangszustand: „Auge auf“

Vorsp.
Kraft

Spannung
t=50ms

Strom

Spannung
t=100ms

Strom

Spannung
t=150ms

Strom

Spannung
t=400ms

Strom

cN

V

mA

V

mA

V

mA

V

mA

26

18

359

18

359

18

359

18

359

27

17

339

17

339

17

339

17

339


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Abb. 93: Vorspann – Spannungsdiagramm des Prototyps Nr. 2 (Luftspaltlänge ca.1mm) – Ausgangszustand: „Auge auf“

Tab. 18: Parameter bei funktionierendem Antrieb des Prototyps Nr. 2 (Luftspaltlänge ca.1mm) – Ausgangszustand: „Auge zu“

Vorsp.
Kraft

Spannung
T=50ms

Strom

Spannung
t=100ms

Strom

Spannung
t=150ms

Strom

Spannung
t=400ms

Strom

cN

V

mA

V

mA

V

mA

V

mA

3

20

399

20

399

19

379

19

379

5

24

478

23

458

22

439

22

439

Abb. 94: Vorspann – Spannungsdiagramm des Prototyps Nr. 2 (Luftspaltlänge ca.1mm) – Ausgangszustand: „Auge zu“

Wie erwartet war durch die Vergrößerung des Luftspaltes erreicht worden, daß der Antrieb in beide Richtungen, also sowohl anziehend als auch abstoßend, funktionierte. Durch die Erhöhung der Bestromungsdauer konnte aber keine oder nur eine unwesentliche Verringerung der Spannung erreicht werden (Abb. 93, Abb. 94; Tab. 17, Tab. 18).

In der Bewertung der Versuche des Prototypen Nr. 2 konnte festgestellt werden, daß einerseits die vom ihm bewegten bzw. gehaltenen Lasten zu klein waren. Andererseits waren die Spannungs- und Stromwerte für die vorgesehene Anwendung zu hoch. Aus diesen Gründen wurde auf die Anwendung des bistabilen Magnetantriebs verzichtet.


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6.1.3.2  Erprobung des DC-Getriebemotors

Als weiterer möglicher Stellantrieb wurde ein DC-Getriebemotor der Fa. Portescap in der im Kap. 5.1.3 beschriebenen Versuchsanordnung getestet (Abb. 55). Die lineare Hubbewegung des Lides wurde durch Umsetzung der Rotationsbewegung des Gleichstrom-Getriebemotors erzeugt. Der Motor war einseitig in einer gabelförmigen Halterung gelagert. Der Zugfaden wurde auf eine speziell aus Acetalharz hergestellten Seilrolle über einen Drehwinkel von ca. 100° auf- und abgewickelt. Dieser Motortyp konnte mit unterschiedlichen Stirnradgetrieben ausgestattet werden. Die getesteten Getriebe besaßen eine Untersetzung von 19,6: 1 bzw. 29,8: 1 (Abb. 54 und Abb. 95).

Abb. 95: Gleichstrom-Getriebemotor mit Seilrolle

Der qualitative Versuch ergab, daß mit beiden Getriebeuntersetzungen die künstliche Lidbewegung ungestört ablief und der Stellweg zu realisieren war. Mit der größeren Untersetzung (29,8: 1) konnte das Lid ein wenig weiter aufgezogen werden, was am größeren Drehmoment dieser Untersetzung lag.

In der quantitativen Auswertung ließen sich die in der Tabelle aufgeführten Meßwerte erheben (Tab. 19).

Tab. 19: Gemessene Betriebsdaten des DC-Mikroantriebs

Nennspannung

2 V

Leerlaufdrehzahl (Getriebeuntersetzung 19,6: 1)

10400 U/min

Leerlaufdrehzahl (Getriebeuntersetzung 29,8: 1)

350 U/min

Leerlaufstrom

12mA

Stromaufnahme bei Lidöffnung

92mA

Betriebszeit Lidschluß

50ms

Betriebszeit Lidöffnung

80ms

Wirkungsgrad

0,75

Diese Untersuchungen zeigten die Eignung des DC-Getriebemotors mit dem höher untersetzten Getriebe für die vorgesehene Anwendung. Er konnte den geforderten Stellweg realisieren und genug Kräfte aufbauen, um das künstliche Lid zu bewegen. Er hatte einen akzeptablen Spannungs- und Strombedarf und mit 75% einen guten Wirkungsgrad. Auch die Betriebszeiten lagen in der gewünschten Größe. Die [Seite 65↓]Baugröße von 29,9mm x 13mm war klein genug, um den Motor in die Epithese hinter die Augenschale einzubauen.

6.1.4 Tischmodell

Auf Basis der Einzelkomponenten wurde ein erstes Muster der Epithese mit beweglichem künstlichen Oberlid als Tischmodell aufgebaut. Für die Ansteuerung des Motors fehlten zunächst aufbereitete EMG-(Elektromyogramm) Signale. Diese Impulse wurden elektronisch simuliert (Kap. 5.1.4). Die Öffnungs- bzw. Schließzeit des Lides wurde elektronisch auf 50ms eingestellt. Zur Spannungsversorgung dieser Elektronik und des Motors wurde bei dem Tischmodell eine Batteriehalterung in die Leiterplatte integriert, die Batteriespannung betrug 5,6 VDC. In der Transistor-Brückenschaltung standen resultierend ca. 3,2 VDC für den Motor zur Verfügung. Bei Reduzierung der Versorgung auf Spannungen unter 4 VDC lieferte der Motor nicht genügend Drehmoment für die Lidöffnung.

Mit dem erstellten Tischmodell war es möglich, ein faltbares, elektromotorisch bewegtes Oberlid in eine Silikonepithese zu integrieren, dessen Verhalten dem natürlichen Vorbild nahe kam (Abb. 96, Abb. 97, Abb. 98). Bei der Lidhebung verursachte der Motor ein leises „Klickgeräusch“.

Abb. 96: Tischmodell: Motor mit Seilrolle

Abb. 97: Tischmodell: Lid geöffnet

Abb. 98: Tischmodell: Lid geschlossen


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6.1.5  EMG - und Steuerungselektronik

Die klinischen Versuche, deren Ergebnisse in die Entwicklungsarbeiten zur elektronischen Layoutgestaltung einflossen, werden im klinischen Teil dargestellt (Kap. 6.2). Als Steuerimpuls zur Initialisierung der künstlichen Lidbewegung waren abgeleitete EMG-Signale geplant. Die EMG-Elektronik mußte für das schwache Biosignal einen Verstärker und einen Schwellenwertabgleich, entsprechend der eingestellten Schwelle, bei der die Triggerung des Lidschlages stattfinden sollte, beinhalten. Die Schaltung für die Antriebssteuerung mußte dann den verarbeiteten Impuls dazu benutzen, um den Antrieb zu steuern. Der Aufbau der gesamten Elektronik wurde in SMD - (Surface Mounted Device) Technologie gestaltet (Kap. 5.1.5).

6.1.5.1 EMG - Elektronik

Die Forderung nach einer Signalverstärkung mit anschließendem Schwellwertvergleich konnte prinzipiell mittels Verstärker und Komparator realisiert werden. Bei bipolarer Ableitungsart wurde hier ein Instrumentenverstärker eingesetzt. Einige Besonderheiten ergaben sich aufgrund des geringen zur Verfügung stehenden Bauvolumens und der minimalen Signalamplituden. Die benutzten Bauelemente mußten nach geringstmöglichem Energiebedarf ausgewählt werden.

Für eine Instrumentenverstärkerschaltung kamen nur integrierte Bausteine in Betracht, da sie wesentlich weniger Platz benötigten als eine vergleichbare Schaltung aus drei separaten Operationsverstärkern (OPV). Die Gesamtverstärkung dieser Schaltung mußte sehr groß sein, damit die Schaltschwelle des Komparators erreicht wurde. Diese lag je nach Art der benutzten Referenzspannungsquelle im Bereich von 1 V. Somit ergab sich bei einer Signalschwelle von 50µV, entsprechend des EMG–Signals, eine erforderliche Verstärkung von mindestens 20.000 mal (= 86 dB). Sind so große Verstärkungen erforderlich, muß der Frequenzgang des OPV berücksichtigt werden, damit nicht Signalfrequenzen „abgeschnitten“ werden. Bei einer Grenzfrequenz von 1 kHz betrug die maximale Verstärkung z.B. nur etwa 70 dB. Somit war zum Erreichen der Gesamtverstärkung ein zweiter Verstärker notwendig. Während die Verstärkung der ersten Stufe mit 989 mal fest eingestellt war, wurde die der zweiten Stufe variabel gehalten (Abb. 99).

Abb. 99: Schaltplan der EMG-Verstärkerschaltung


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Der Schutz beider Eingänge vor überlagerter Gleichspannung bei der bipolaren Ableitung wurde durch zwei gleichartige Hochpässe realisiert. Ein weiterer Vorteil dieser RC-Ankopplung wurde im Hinblick auf eine Geräteprüfung gemäß DIN EN 60601 deutlich, wenn man bedenkt, daß im ersten Fehlerfall der Patientenableitstrom nicht größer als 50µA sein darf. Mit den Kondensatoren konnte diese Vorgabe unterboten werden, da ihr Leckstrom um ein Vielfaches kleiner war. Die Schaltung wurde so dimensioniert, daß die wesentlichen im EMG-Signal enthaltenen Frequenzanteile (100 bis 300 Hz) nicht gedämpft wurden. Das Funktionsprinzip der Entscheiderstufe beruhte auf dem Vergleich der verstärkten Eingangsspannung mit einer festen Referenzspannung. Diese Aufgabe erfüllten sog. Komparatoren, die auf hohe Schaltgeschwindigkeiten optimiert waren. Die Abb. 100 verdeutlicht die Entstehung des Auslöseimpulses für die Antriebssteuerung.

Abb. 100: Verhalten des Komparators / Erzeugung des Ansteuerimpulses

Für die Umsetzung der zuvor skizzierten Schaltungen in einen funktionsfähigen Prototypen war das Layout auf die begrenzten Platzverhältnisse abzustimmen. Dabei orientierte sich die Optimierung an folgenden Vorgaben:

  1. Aufbau in SMD-Technik
  2. Verwendung doppelseitiger Platinen
  3. Anpassung des Layouts an die Geometrie (Anordnung hinter der Augenprothese)
  4. Minimierung der Platinenstärke

Das Ergebnis war eine doppelseitig bestückte runde Platine mit den Maßen 3,4cm² x 0,5cm. Sie wurde direkt hinter der Augenprothese angeordnet (Abb. 101, Abb. 102).


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Abb. 101: Frontseite EMG-Platine

Abb. 102: Rückseite EMG-Platine

6.1.5.2 Antriebssteuerung

Die Teilschaltung hatte die Aufgabe, den vom Komparator generierten Impuls in die Versorgung des Antriebs zur Bewegung des Lides umzusetzen. Die bidirektionale Lidbewegung machte die Bestromung des Antriebs in zwei Richtungen erforderlich, d.h. der Antrieb mußte mit zwei hintereinander folgenden Signalen versorgt werden, die zeitlich genau definiert waren. Im Falle des verwendeten Gleichstrommotors steuerte die Länge der Impulse den Drehwinkel und damit die Amplitude der einzelnen Lidbewegungen. Die Drehzahl und somit die Geschwindigkeit konnten dagegen nicht beeinflußt werden, weil sie ausschließlich von der Getriebeuntersetzung und der am Antrieb anliegenden Spannung abhingen.

Zur Erzeugung von Impulsen festgelegter Dauer wurden monostabile Kippschaltungen (Monoflops) eingesetzt. Ein Potentiometer machte die Impulsdauer variabel und einstellbar. Für zwei Bewegungsrichtungen mußten zwei Monoflops miteinander verschaltet werden.

In der „beweglichen“ Epithese sollte der unwillkürliche Lidschlag simuliert werden. Die Nachbildung jeder willkürlichen Lidbewegung war bei der Konzeption einer kleinstmöglichen Schaltung nicht zu berücksichtigen. Da eine Dauerkontraktion des gesunden Augenlides nicht ein fortwährendes Auf- und Zuklappen des künstlichen Lides bewirken sollte, mußte die erneute Ansteuerung nach durchlaufenem Zyklus für einen definierten Zeitraum verhindert werden. Zu diesem Zweck wurde eine Signalunterdrückung in der Schaltung realisiert, mit der ein Auslösen der Motoransteuerung für einen einstellbaren Zeitfaktor (Refraktärzeit) verhindert werden konnte. Diese Refraktärzeit der „beweglichen“ Epithese war bei einer angenommenen Lidschlaghäufigkeit von 30 /min mit 1 s voreingestellt und konnte ebenfalls über ein Potentiometer variiert werden.

Die gesamte Ansteuer-Schaltung war für eine Betriebsspannung von 3 V dimensioniert, die Untergrenze für die sichere Bestromung des Antriebs lag bei 2,6 V und war damit die niedrigste aller untersuchten Varianten.


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Das Ergebnis aller erprobten Ansteuer-Schaltungen war eine doppelseitig bestückte ovale Platine mit den Maßen 1,5cm² x 0,5cm. Sie wurde hinter der EMG-Elektronik angeordnet (Abb. 103, Abb. 104).

Abb. 103: Frontseite Platine Antriebssteuerung

Abb. 104: Rückseite Platine Antriebssteuerung

Damit fanden beide Platinen und somit die gesamte Elektronik der „beweglichen“ Epithese Platz in bzw. hinter der Augenprothese. Die ovale Leiterplatte diente gleichzeitig als Montagegrundplatte für die Motorhalterung. Alle Potentiometer waren auch nach erfolgtem Einbau der Platinen in die Augenprothese von dorsal zugänglich. Die vier Potentiometer für die Zeitsteuerung waren auf der Motorseite untergebracht, das Potentiometer der Signalverstärkung war durch eine Bohrung in der ovalen Platine zugänglich (Abb. 105, Abb. 106).

Abb. 105: Verdrahtete, zusammengesetzte Elektronikplatinen (von vorne)

Abb. 106: Verdrahtete, zusammengesetzte Elektronikplatinen (von hinten mit montierter Motorhalterung)

6.1.6  Energiequelle

Die Auswahl einer Energiequelle hing vom Platzbedarf, den Kriterien Energiedichte und Effizienz und von den erforderlichen Betriebskosten ab. Für die Dimensionierung der Form und Größe des Energiespeichers mußte der Strombedarf des Gesamtsystems bekannt sein. Der Gesamtenergiebedarf ergab sich aus der Summe von Energiebedarf der Schaltung und des Antriebs. Unter Berücksichtigung der Ruhe- und Aktivzeiten konnte man dann die erforderliche Kapazität des Energiespeichers theoretisch errechnen. Dieses Wissen diente zur Orientierung bei der Auswahl der Energiequelle. Messungen mit den in Frage kommenden Energiespeichern mußten dann die tatsächliche Leistungsfähigkeit der [Seite 70↓]Energiequelle zum Betrieb der gekapselten Funktionseinheiten zeigen (Abb. 58, Abb. 59, Abb. 60; Kap. 5.1.6).

Die Messungen erfolgten gemäß dem Versuchsaufbau, der in Abb. 57 skizziert ist (Kap. 5.1.6). Die gemessenen Aktionszeiten des DC-Getriebemotors unterteilten sich in Bestromungszeiten für die Öffnungs- (80ms) und die Schließdauer (50ms), (Kap. 6.1.3.2). DieStromaufnahme des Motors bei U = 1,6 V beiLidöffnung betrug 92mA. Der Leerlaufstrom des Motors bei Lidschluß wurde mit 12mA gemessen. Bei der Stromaufnahme der Schaltung war auch zwischen Ruhe- und Aktivzeit zu unterscheiden. Die Ruhestromaufnahme betrug Messungen zufolge etwa 1,8mA. Dieser Wert erhöhte sich bei Über- oder Unterschreitung der Schaltschwelle auf ca. 3mA (Tab. 20, Tab. 21).

Tab. 20: Gemessener Energiebedarf des Motors

Gemessener Stromverbrauch des Motors

Stromaufnahme bei Lidöffnung

92mA

Leerlaufstrom des Motors bei Lidschluß

12mA

Tab. 21: Gemessener Energiebedarf der Schaltung

Gemessener Stromverbrauch der Schaltung

Aktivstrom der Schaltung

3mA

Ruhestrom der Schaltung

1,8mA

Der Energiebedarf des Gesamtsystems wurde bei folgenden Eckdaten abgeschätzt (Tab. 22, Tab. 23): Ausgehend von einer Tageseinschaltdauer von 16 Stunden – entsprechend einer durchschnittlichen abgeschätzten Tragedauer der Epithese pro Tag – und einer Frequenz der unwillkürlichen Lidbewegungen von 30 /min (obere Grenze von in der Literatur angegebenen Werten; TURSS, 1982) belaufen sich die unwillkürlichen Lidschläge pro Tag so theoretisch auf 28800. Da sich die Aktionszeit des Antriebs mit unterschiedlichen Bestromungszeiten in Schließ- (50ms) und Öffnungsdauer (80ms) unterteilte, ergaben sich aufsummiert Betriebszeiten des Motors von 1440 s (24 min) für die Schließbewegung und von 2304 s (38,4 min) für die Öffnungsbewegung des Lides. Bei der Stromaufnahme der Schaltung war auch zwischen Ruhe- und Aktivzeit zu unterscheiden.

Tab. 22: Abschätzung des benötigten Energiebedarfes des Gleichstrommotors pro Tag

Strombedarf des Gleichstrommotors (pro Tag)

erforderliche Kapazität für 38,4 min Öffnungsdauer

59mAh

erforderliche Kapazität für 24 min Schließdauer

4,8mAh

Gesamtkapazität Motor

63,8mAh

Tab. 23: Abschätzung des benötigten Energiebedarfes der Schaltung pro Tag

Strombedarf der Schaltung (pro Tag)

erforderliche Kapazität für 14,96 Std. Ruhezeit

26,93mAh

erforderliche Kapazität für 62,4 min Aktivzeit

3,12mAh

Gesamtkapazität Schaltung

30,05mAh


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Damit betrug die theoretisch erforderliche Gesamtkapazität für den Betrieb der „beweglichen“ Epithese pro Tag:

Diese Abschätzung berücksichtigte für den passiven Lidschluß lediglich den Leerlaufstrom des Motors und ließ eventuell höhere Anlaufströme des Antriebs unberücksichtigt. Deshalb konnte die Annahme eines täglichen Energiebedarfs von ca. 100mAh nur zur Orientierung bei der Auswahl der Energiequelle dienen. Offen blieb dabei auch die Frage, inwieweit die gesamte Kapazität einer Energiequelle nutzbar war, da kein eindeutig definiertes Lastprofil existierte. Die von den Herstellern angegebenen Kapazitäten wurden grundsätzlich bei konstanter Belastung des Energiespeichers bestimmt.

Im Vergleich zu Akkumulatoren verfügten Batterien eindeutig über die höheren Energiedichten (Tab. 2, Tab. 3, Tab. 4, Kap. 5.1.6). Vorteilhaft war weiterhin die große Typenvielfalt, die sich nicht nur in Baugröße und -form, sondern auch in unterschiedlichen Zellenspannungen darstellte. Nach Zink/Luft-Systemen, die sich aber nicht eigneten, wiesen Lithium-Batterien mit einer Zellenspannung von 3 V die besten Energiedichten auf (Tab. 3). Ihre Entladungskennlinie fiel jedoch ab bis zu Spannungen von etwa 2 V, was für die Schaltung und insbesondere den Antrieb nicht mehr ausreichend war. Daher konnte bei diesen Batterien bei weitem nicht die gesamte Kapazität genutzt werden. Lithium-Knopfzellen besaßen bei einer Nennkapazität von 260mAh eine Impulsbelastbarkeit von 20mA und einen maximal zulässigen Dauerstrom von 3mA. Der Impulsstrom des Antriebs war jedoch deutlich höher, dies hätte auch zu einer Erwärmung der Batterie geführt. Das Konzept der Knopfzelle konnte somit nicht realisiert werden, eine Batterie größerer Bauform mußte für die Anwendung in der „beweglichen“ Epithese gewählt werden.

Ausgehend von den technischen Daten und den kleinen Abmessungen wurde die Lithiumbatterie CR 1/3N für den Einsatz in der Epithese gewählt und ist mit den funktionellen Einheiten der Epithese erprobt worden (Abb. 58; Kap. 5.1.6). Trotz Freigabe des Herstellers für die Belastung mit Impulsströmen von 100mA war diese Batterie nicht in der Lage, die Epithese einen Tag mit Energie zu versorgen. Bereits nach 4,5 Stunden war die Nennspannung unter 2,6 V abgefallen. Das Lid konnte nicht mehr vollständig geöffnet werden.

Neben reinen Lithiumzellen existieren auch Verbindungen mit anderen Elementen. So waren z.B. Lithium-Thionylchlorid-Batterien für Anwendungen mit kleinen bis mittleren Strömen geeignet. Die kleinste Bauform dieses Typs hatte die Größe 1/2 AA und eine Nennkapazität von 950mAh (Abb. 59). Der wesentliche Unterschied zur reinen Lithiumzelle bestand in der höheren Zellenspannung von 3,6 V. Die veränderte Betriebsspannung hatte Rückwirkungen auf die Eigenschaften der Schaltung und das Verhalten des Antriebs. Die Schaltschwelle verschob sich ebenso wie der resultierende Gesamtverstärkungsfaktor. Der Antrieb reagierte auf die größere Versorgungsspannung mit erhöhter [Seite 72↓]Nenndrehzahl. Eine Anpassung an die veränderte Betriebsspannung war größtenteils über die Potentiometer der Schaltung realisierbar (Verkürzung der Bestromungszeiten). Lediglich der Anschluß des Gleichspannungswandlers mußte korrigiert werden, da der Low-Voltage-Pin nur bis 3,5 V auf Masse liegen durfte. Die Erprobung dieses Batterietyps ergab bei 60 Blinkzyklen pro Minute normale Lidöffnungsbewegungen über 72 Stunden (Kap. 6.1.9).

Beim Volumenvergleich mit dem ungeeigneten Typ 1/3 N mußte der Platzbedarf für dessen Batteriefach einschließlich der Kontaktclipse berücksichtigt werden. Da der Typ 1/2 AA über Lötfahnen direkt kontaktiert wurde, konnte man die resultierende Volumendifferenz vernachlässigen. Auch dieser Batterietyp war in dem konzipierten Gehäuse der funktionellen Einheiten unterzubringen. Bei einer nur 70%igen Ausnutzung der Nennkapazität würde die theoretische Lebenserwartung dieser Batterie 7 Tage betragen. Mit einem Stückpreis von ca. 9,– DM hätten sich somit ungefähre Betriebskosten von etwa 36,– DM pro Monat ergeben.

Das Problem der zu geringen Energiedichten stellte das größte Hindernis bei der Anwendung von Akkumulatoren dar (Tab. 4). Sie war im Vergleich zu Batterien um den Faktor 5 bis 10 schlechter. Ferner wurde die Auswahl stark eingeschränkt, da die gängige Nickel-Cadmium-Technologie eine Zellenspannung von 1,2 V bereitstellte. Für den Betrieb müßten 3 Akkumulatoren in Reihe geschaltet werden. Für die notwendigen Reihenschaltungen fehlte jedoch das Einbauvolumen. Der einzige von der Größe akzeptable (4,13cm³), in die Epithese integrierbare Akkumulator war der Memoakku mit einer Nennkapazität von 65mAh (Tab. 4, Abb. 60, Kap. 5.1.6). Bei 70%iger Ausnutzung der Nennkapazität wäre mit dem am Anfang des Kapitels abgeschätzten Energiebedarf ein Betrieb der Epithese für knapp 8 Stunden möglich gewesen.

Der Funktionstest mit diesem Akkutyp bestätigte diesen Überschlag. Nach 7 Stunden war die Nennspannung so weit gesunken, daß das Lid nicht mehr vollständig geöffnet werden konnte. Damit war dieser Energiespeicher von der Forderung nach einer Betriebszeit von 16 Stunden pro Tag weit entfernt. Bei reduzierter Blinkfrequenz war mit ihm gegebenenfalls eine Betriebszeit von 8 Stunden realisierbar. Zusätzlich käme durch die täglich erfolgenden Entlade- und Ladezyklen ein eventueller Leistungsverlust noch hinzu.

6.1.7 Gehäuse

Die funktionellen Komponenten dieser neuartigen Orbitaepithese wurden modular aufgebaut, aufeinander montiert und in der Augenprothesenfixierung befestigt. Dazu wurde ein stabiler Verbund zwischen der Augenschale und der Elektronik geschaffen. Auf der Ansteuerungselektronikplatine war die Halterung für den Antrieb montiert, die zugleich den Energiespeicher trug. Für die montierten Einzelteile war insgesamt ein Platzbedarf von ca. 25cm³ notwendig.


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Dieser Verbund konnte aber nicht „frei fliegend“ in die Epithese eingefügt werden. Die Platinen waren gegen Kurzschluß zu sichern, die Rotation der Seilrolle und das Zugseil mußten frei beweglich bleiben und der Energiespeicher mußte abgedeckt werden. Aus den genannten Gründen wurde eine Kapselung der Funktionseinheiten konzipiert. Da die Baulänge des Antriebs die horizontale Ausdehnung der Augenprothesenfixierung überstieg, konnte die funktionelle Einheite nicht von frontal in die Epithese eingebracht, sondern mußten von dorsal montiert werden. Die Kapselung bestand aus einer Gehäuseschale, in die das vormontierte System eingesetzt wurde, mit rückseitig abnehmbarem Gehäusedeckel, der einen Zugriff auf den Energiespeicher ermöglichte (Abb. 107).

Da die Anordnung der Batterie in Bezug auf den Motor auf verschiedene Weise erfolgen konnte, d.h. hinter oder neben dem Motor, wurden zwei Gehäuseschalenvarianten für die Funktionseinheiten entworfen. Bei Typ A lag die Batterie hinter, bei Typ B neben dem Motor (Abb. 108, Abb. 109, Abb. 110). Die Abmessungen zeigt Tabelle Tab. 24.

Abb. 107: Schema der Funktionseinheiten mit Kapselung

Abb. 108: Skizze der Varianten der Gehäuseschalen – Ansicht von der Seite

Tab. 24: Abmessungen der Varianten der Gehäuseschalen

 

Typ A

Typ B

Tiefe

36mm

26mm

Breite

39mm

39mm

Höhe

29mm

39mm

Abb. 109: Skizze der Varianten der Gehäuseschalen – Ansicht von vorne

Abb. 110: Skizze der Varianten der Gehäuseschalen – Ansicht von oben

Von beiden Varianten wurden jeweils „Dummys“ aus Acrylat - Kunststoff hergestellt (Abb. 111, Abb. 112). Mit diesen Modellen war es möglich, je nach anatomischer Defektsituation das zur Verfügung [Seite 74↓]stehende Einbauvolumen beim Patienten zu testen und sich für eine Variante der Batterielage zu entscheiden.

Abb. 111: „Dummy“ der möglichen Gehäusevariante A (Ansicht von vorne)

Abb. 112: „Dummy“ der möglichen Gehäusevariante B (Ansicht von vorne)

Als Werkstoff für die Gehäuseteile wurde Palamed® gewählt. Zur Herstellung der Gehäuseschale und des Gehäusedeckels waren Gießformen, wie in Abb. 113 und Abb. 114 dargestellt, konstruiert worden. In den Rohling der Gehäuseschale war frontseitig ein kreisförmiger Durchbruch eingebracht. Er mußte nachgearbeitet werden, um den individuellen Formschluß zur jeweiligen Augenschale aus Glas zu ermöglichen. Das Gehäuse bildete dann die Grundlage für den Einbau in die Silikonepithese.

Abb. 113: Gießformen für Gehäuseschale

Abb. 114: Gießformen für Gehäusedeckel

6.1.8  Aufbau der aktiven Einheit

Nachdem standardisierte bzw. individuelle Komponenten und Funktionseinheiten entwickelt waren, mußten die Komponenten in mehreren Einzelschritten zu einem funktionsfähigen System der „beweglichen“ Epithese zusammengefügt werden.

Zuerst wurden die Platinen bestückt. Da die Packungsdichte der Bauelemente teilweise so hoch war, daß die Grenzen der manuellen Verarbeitung erreicht waren, mußten die Lötarbeiten durchgängig unter Verwendung einer Lupenlampe ausgeführt werden (s. Anhang). Auf der Platine zur Motoransteuerung wurde die Motorhalterung aufgeschraubt. Anschließend mußten die Anschlußleitungen für den Motor, die Versorgungsspannung und die EMG-Elektroden in die Platinen eingelötet werden.


[Seite 75↓]

Dann erfolgte die in Kap. 6.1.2 beschriebene Augenprothesenfixierung. Die in Größe, Farbe und Krümmung individuelle Glasaugenschale wurde zentrisch zwischen den elastischen Formhälften (Abb. 74) eingespannt und der um das Auge verbleibende Ringspalt mit Palamed® ausgegossen. Nach der Aushärtung und Entformung folgte der Planschliff der vertikalen Seiten der Schalenrückseite (Abb. 75). Diese Fläche diente für die ovale Platine der Steuerungselektronik als Auflage.

Hierauf wurde die vormontierte Elektronik mittig positioniert und temporär mit wenig Cyanacrylat fixiert. Die vier Befestigungsstege der runden Platine mußten eingekürzt werden, damit der Platinenverbund in die Glasaugenschale eingepaßt werden konnte (Abb. 115, Abb. 116).

Abb. 115: Augenschale mit eingepaßter Elektronik und montierter Motorhalterung

Abb. 116: Augenschale mit eingepaßter Elektronik und montierter Motorhalterung

Diese Einheiten wurden anhand der ovalen Platine horizontal ausgerichtet. Durch die Durchgangsbohrung für die Seilführung in dieser Platine wurde die Augenschale vertikal durchbohrt. Durch diese Bohrungen wurde die Kanüle zur Seilführung gesteckt und mit Epoxidharz auf der Innenseite der Schale verklebt. Danach konnte der temporäre Verbund von Schale und Platinen wieder gelöst werden. Die frontale Öffnung der Kanüle wurde der umliegenden Kontur angepaßt und beide Seiten sorgfältig entgratet und angefast (Abb. 47).

Der Aufbau des Zwischenträgerbausteins erfolgte – wie in Kap. 6.1.2 beschrieben – durch Aufgießen von Palamed® auf die Augenschale oberhalb des Lidschlitzes. Die Schichtdicke durfte 1mm nicht übersteigen und mußte gegebenenfalls durch Abschleifen reduziert werden. Es war darauf zu achten, daß der Kanal zur Fadenführung zwischen Lidschlitz und frontaler Öffnung der Kanüle in der Mitte lag (Abb. 81). Anschließend konnte die Elektronik wieder in der Augenprothesenschale positioniert werden. Die Lage und Ausrichtung der Platinen war definiert durch die Seilführung. Dauerhaft verbunden wurden diese Baugruppen durch Umgießen der Befestigungsstege beider Platinen mit Epoxidharz.

Zur Herstellung der Lidmembran wurde die gesiebte Latexmilch (Fa. Kryolan) mit ca. 10% Wasser verdünnt und mit den hautfarbenen Pigmenten des Camouflage-Systems abgetönt. Die der Augenprothesenkontur entsprechende Gipsform (Abb. 76) wurde für ca. 3 Minuten gewässert. Die Form wurde randvoll mit Latexmilch ausgegossen, für ca. 1 Minute in der Form belassen und anschließend [Seite 76↓]wieder entleert. Die in der Form anhaftende Schicht konnte nun in der gestürzten Form ausvulkanisieren. Zur Entformung war die entstandene Membran allseitig mit Talkum bestäubt worden, da sie andernfalls hätte verkleben können.

Die Fertigung des Gleitbügels erfolgte nach der in Kap. 6.1.2 beschriebenen Vorgehensweise. Insbesondere hatte sich die Formgebung an der individuellen Kontur der Augenprothese zu orientieren. In der Mitte des Gleitbügels wurde der Zugfaden durch Umschlingen und Verknoten befestigt. Die Lidmembran wurde in der passenden Gipsform plaziert und derart fixiert, daß sich die Hohlkehle der Lidunterkante an tiefster Stelle befand. In diese Kontur wurde der Gleitbügel mit befestigtem Zugfaden eingelegt und mit wenigen Tropfen Latexmilch ausgegossen. War die Milch vulkanisiert, konnte die Membran der Form entnommen und entlang des Bügels an ihrer Unterseite beschnitten werden. Danach durfte kein Latex mehr über den Bügel ragen, um ein freies Gleiten des Bügels auf der Augenprothese zu ermöglichen. Zur Entformung des Bügels aus der Lidunterkante wurde ebenfalls Talkum benutzt. Waren beide Teile entstaubt und gereinigt, wurden sie durch Cyanacrylat miteinander dauerhaft verklebt (Abb. 80).

Die montierten Komponenten Augenprothesenfixierung und Elektronik waren an der Motorhalterung einfach in physiologischer Ausrichtung im Schraubstock gespannt worden. Das Zugseil wurde durch die Kanüle nach dorsal gefädelt und die Lidmembran lose vor dem Auge positioniert. Bei der Ausrichtung der Membran hatte diese den Lidschlitz spannungsfrei zu überdecken. Die Fixierung der Membran mit Cyanacrylat durfte zunächst nur an wenigen Punkten erfolgen, da die Funktionskontrolle und -erprobung gegebenenfalls ein Ablösen und eine Veränderung der Ausrichtung erforderte. Letztlich war die Membran funktionsgerecht montiert, wenn sie ausreichenden Freiraum zur Augenprothese hatte, auf dem Zwischenträger ganzflächig befestigt war, keine Verspannungen aufwies und in den Augenwinkeln als Feder wirkte (Abb. 117).

Kontrolliert werden mußte dies durch ausgiebige Funktionstests. Zunächst war die Lidkraft zu bestimmen. Messungen dieser Kraft am Zugseil, z.B. mittels einer Federwaage, durften maximale Beträge von 0,4 N nicht übersteigen. Die Maximalkraft wurde erfaßt, wenn das Lid über den Lidschlitz bis an dessen Oberkante aufgezogen war. Weiterhin mußten Funktionstests mit montiertem Antrieb erfolgen, bis sich durch wiederholte Zyklenabfolge (mind. zwei Stunden Dauerbetrieb) eine Charakteristik für den Faltenwurf in der Membran ausgebildet hatte. Kam es hier zu keinen weiteren Veränderungen (Verklemmen des Zugseils, Haftreibung der Membran etc.), blieb die Fähigkeit der Membran zum spontanen passiven Lidschluß zu prüfen. Schloß die Membran bei Freigabe des Zugseils nicht trägheitsfrei, so war die Spannung der Lidunterkante zu prüfen und gegebenenfalls die Befestigung der Membran in den Augenwinkeln zu korrigieren. Bei störungsfreier Funktion konnte abschließend der dorsale Überstand der Membran entlang der Augenschale beschnitten werden.


[Seite 77↓]

Zur Vormontage des Antriebs wurde die Seilglocke bündig auf die Welle des Getriebemotors gesteckt und mit einer Schraube fixiert. Die Positionierung dieser Einheit in der Motorhalterung auf der Rückseite der ovalen Platine war derart auszurichten, daß die Nut in der Seilglocke mit der Kanüle zur Seilführung fluchtete. Die Festlegung des Motors in seiner Halterung erfolgte durch Verklebung mit Cyanacrylat. Die Motoranschlußkabel auf der ovalen Platine konnte nun eingekürzt und an den Motor angelötet werden.

Zur Befestigung des Zugfadens auf der Seilglocke wurde der Faden mit einem Umschlingungswinkel von mindestens 360° durch die Querbohrung der Nut gefädelt und verknotet. Um einer Schlaufenbildung des Fadens während der Schließbewegung des Lides entgegenzuwirken, konnte die Nut im Bereich des Glockenumfangs, von dem kein Seil abgewickelt wurde, mit einem Klebebandstreifen abgedeckt werden (Abb. 118, Abb. 119, Abb. 120).

Abb. 117: An der Augenschale fixierte Lidmembran

Abb. 118: Antrieb mit Seilglocke und Zugfaden (von der Seite)

Abb. 119: Antrieb mit Seilglocke und Zugfaden (von hinten)

Abb. 120: Antrieb mit Seilglocke und Zugfaden (von hinten, vergrößert)

Für die Unterbringung dieser Einheiten im Gehäuse war zunächst der frontseitige Durchbruch in der Gehäuseschale nachzuarbeiten. Die ovale Ausformung dieses Durchbruchs orientierte sich an der individuellen Gestalt der vorliegenden Einheiten. Dabei war ein bündiges Anliegen der Augenschale über den gesamten Umfang des Durchbruchs anzustreben. Da die Einschubtiefe in Grenzen variieren konnte, mußte nach erfolgter Einpassung die definitiv notwendige Gehäusetiefe bestimmt werden. Die Gehäuseschale sollte ca. 1mm Überstand über der Seilglocke haben. War das Gehäuse auf diese Tiefe [Seite 78↓]nachgearbeitet, wurde letztlich die funktionelle Einheit der „beweglichen“ Epithese zentrisch in der Gehäuseschale ausgerichtet und mit Cyanacrylat befestigt (Abb. 121).

Zuvor waren die Präzisionsbuchsen mit Kontaktfeder für die Kontaktierung des Energiespeichers (1/2 AA mit Lötfahnen) in die Gehäuseschale einzubringen (Abb. 122). Hierzu wurden in den unteren Ecken der Schale zwei Buchsen mit Epoxidharz eingegossen. An diese waren die Anschlußleitungen für die Versorgungsspannung von der ovalen Platine eingekürzt anzulöten.

Abb. 121: Montierte Gehäuseschale von der Seite

Abb. 122: Montierte Gehäuseschale, Rückseite mit Kontaktbuchsen

Abb. 123: Funktionelle Einheit im geschlossenen Gehäuse (Seitenansicht)

Abb. 124: Funktionelle Einheit im geschlossenen Gehäuse (Frontalansicht)

Nach Aufstecken des Energiespeichers, dessen Kontaktfahnen bzw. -stifte geometrisch dem Rastermaß der Buchsen angepaßt waren, konnte das Gehäuse durch Aufstecken des Deckels geschlossen werden (Abb. 123, Abb. 124).

Bei der beschriebenen Montageabfolge unberücksichtigt blieben die Anschlußleitungen für die EMG-Elektroden, die an der runden Platine angelötet waren und oberhalb der ovalen Platine nach dorsal führten. Diese mußten an zwei Sekundärmagnete angelötet werden, die in die vom Anaplastologen individuell gestaltete Silikonepithesenrückseite eingebettet waren. Die für die Zuleitungen notwendigen Durchbrüche in der Gehäuseschale mußten sich jeweils an den patientenspezifischen Gegebenheiten orientieren und waren vor der Montage des Auges in die Gehäuseschale einzubringen.


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6.1.9  Dauertest der aktiven Einheit

In Kap. 6.1.6 sind verschiedene Energiespeicher gegenübergestellt und auf ihre Eignung untersucht worden. Für den sicheren Betrieb der Epithese während einer postulierten Wachzeit von 16 Stunden mußte die Auswahl auf nur einen Typ reduziert werden. Anhand des theoretischen Energiebedarfs der Epithese war die Kapazität dieses Batterietyps überschlägig berechnet worden. Zur Überprüfung der theoretischen Lebensdauer wurde der Prototyp mit diesem Energiespeicher einem Dauertest unterzogen.

Hierzu blieben die Elektrodeneingänge offen, d.h. die über diese Eingänge detektierten Störsignale führten zur Generierung eines Steuerimpulses und somit zur Initialisierung einer Blinkbewegung. Für den zeitgerafften Ablauf des Dauertests wurde die Refraktärzeit auf 0,5 s eingestellt. Somit wurden 60 Blinkzyklen pro Minute absolviert. Der Test wurde nach einer Laufzeit von 72 Stunden abgebrochen. Zu diesem Zeitpunkt war die Leerlaufspannung der Batterie noch nicht abgesunken.

Die Rückrechnung der Testergebnisse auf die definierten Randbedingungen (Blinkfrequenz: 30/min; Betriebszeit: 16 h/Tag; Korrekturfaktor für längere Ruhestromzeiten der Schaltung ohne Zeitraffer) ergab eine Betriebszeit von 7,1 Tagen.

Bei Reduktion der Anforderungen hinsichtlich der Blinkfrequenz auf die in der Literatur dokumentierten Durchschnittswerte (12 /min), könnte die getestete Betriebszeit verdoppelt werden. Während des Dauertests hatte die Epithese ca. 260.000 Blinkzyklen absolviert. Dies überstand die Lidmembran unbeschadet. Sie zeigte keinerlei Ermüdungserscheinungen.

6.2  Klinischer Teil

6.2.1  Untersuchung der Orbitadefekte

Um den Bedarf an einer solchen „beweglichen“ Epithese abschätzen zu können, war die Anzahl der zu versorgenden Patienten, die prinzipiell pro Jahr dafür in Frage kämen, von Bedeutung. Da Zahlen über mit Epithesen versorgte Orbitadefekte in Deutschland nicht bekannt sind, wurden die Anzahl der im Berliner Zentrum für künstliche Gesichtsteile während der letzten zwei Jahre versorgten Orbitaepithesen als Richtwert bestimmt. Insgesamt wurden hier 49 Patienten mit einer Orbitaepithese versorgt. Die Orbitadefekte, die epithetisch versorgt worden sind, lagen meist bei älteren Patienten vor, mit einem Gipfel zwischen 50 und 70 Jahren (Abb. 125). Insgesamt waren 57,1% Männer und 42,9% Frauen betroffen.

Neben der absoluten Anzahl der betroffenen Patienten war das Raumangebot in der erkrankten Orbita für die Größenkonzeption und den Bau der einzelnen Funktionseinheiten wichtig. Auch war die Zahl der [Seite 80↓]Patienten in Relation zum Volumen von Bedeutung, um eine Abschätzung der Versorgungsmöglichkeit mit der „beweglichen“ Orbitaepithese machen zu können.

Die Messungen (Kap. 5.2.1) ergaben eine breite Variation der Orbitavolumina, je nachdem ob Weichgewebe, z.B. Bulbusanteile, Lidstrukturen, Augenmuskel, Fettgewebe, etc. in der Orbita nach der Operation noch vorhanden waren bzw. ob knöcherne Resektionen, z.B. Entfernung von Orbitawandanteilen, Entfernung von Siebbeinzellen, Anteilen des Oberkiefers oder der Nase durchgeführt worden waren (Abb. 126, Abb. 127, Abb. 128). Fast fünfzig Prozent der Patienten hatten Orbitavolumen bis 7cm³ Größe (Abb. 130). Größere Raumvolumina, entsprechend der Größe des realisierten Prototyps (> 25cm³) waren bei 6 Patienten (12,2% aller Patienten) gemessen worden (Abb. 129). Bei allen diesen Patienten lag eine über die Orbita hinausgehenden Resektion vor, z.B. Entfernung des Oberkiefers bzw. Teilen der Nase oder der Siebbeine (z.B. Abb. 128).

Abb. 125: Verteilung der Orbitadefekte nach Alter der Patientinnen/en (jeweils in 10 Jahresintervallen)

Abb. 126: Gipsmodell mit flachem Orbitadefekt

Abb. 127: Gipsmodell mit tiefem Orbitadefekt

Abb. 128: Gipsmodell nach kompletter Exenteratio und zusätzlicher Oberkiefer- und Siebbeinzellen-Teilresektion


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Abb. 129: Verteilung der Orbitavolumen bei den Patienten (schwarzer Balken entspricht dem realisierten Volumen (25cm3) des Prototypen; Volumina > 30cm3 sind nicht graphisch vollständig dargestellt)

Abb. 130: Prozentuale Verteilung der Orbitavolumina (jeweils in 1cm3 Intervallen)

6.2.2  Analyse des unwillkürlichen Lidschlags

Vor Konzeption und Auswahl der einzelnen Komponenten der „beweglichen“ Epithese wurde die Häufigkeit des unwillkürlichen Lidschlags bei gesunden Personen gezählt, um die Belastung der Einzelteile abschätzen zu können (Kap. 5.2.2). Nach 10 Minuten Aufzeichnung wurden anhand der Videoaufnahmen an einem Videoschnittplatz die unwillkürlichen Lidschläge ausgezählt und der Mittelwert bei jeder einzelnen Person pro Minute errechnet. Die Lidschlagshäufigkeit lag bei 12 min-1 bis 77 min-1 und im Durchschnitt des gemessenen Kollektivs bei 40 min-1 (Abb. 131). Dagegen wird die Häufigkeit des Lidschlages in der Literatur abhängig vom Alter und psychologischen Zustand des Patienten mit 6 min-1bis 30 min-1angegeben (TURSS, 1982; TADA et al., 1991; SUN et al., 1997). Bei der Abschätzung des Energiebedarfs wurde mit einer Lidschlagshäufigkeit von maximal 30 min-1 gerechnet (Kap. 6.1.6).


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Um eine bestmögliche Kopie der natürlichen Lidbewegung zu erzielen, das Layout der Elektronik zu gestalten und Richtwerte für den Antrieb zu erhalten, wurde auch der Zeitablauf der natürlichen Schließ- und Öffnungsbewegung von 10 unwillkürlichen Lidschlägen bei jeder Versuchsperson unter Zeitlupe gemessen. Es wurde jeweils der Mittelwert der Lidschließungs- und Lidöffnungszeit gebildet und durch Addition die Gesamtdauer der Lidbewegung errechnet (Abb. 132, Abb. 133, Abb. 134). Es zeigten sich individuelle Unterschiede, die in der elektronischen Schaltung berücksichtigt werden mußten. Im Gesamtdurchschnitt ergaben sich Lidschließungszeiten von ca. 0,1 s und Öffnungszeiten von ca. 0,15 s. Die Gesamtlänge des Lidschlages betrug ca. 0,25 s. Den schematischen Bewegungsverlauf zeigt Abb. 135. Diese Ergebnisse werden in der Literatur bestätigt (DOANE, 1980 a und b; EVINGER et al., 1984, 1991).

Abb. 131: Mittelwerte der unwillkürlichen Lidschläge pro Minute (Querbalken entspricht dem Durchschnittswert von 40 min-1)

Abb. 132: Mittlere Lidschließungszeiten in ms (Querbalken entspricht dem Mittelwert von 99ms)


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Abb. 133: Mittlere Lidöffnungszeiten in ms (Querbalken entspricht dem Mittelwert von 149,5ms)

Abb. 134: Mittlere Dauer der gesamten unwillkürlichen Lidschläge (Querbalken entspricht dem Mittelwert von 248,5ms)

Abb. 135: Schematische Zeichnung der Kinematik des unwillkürlichen Lidschlages


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6.2.3  Elektromyographische Messungen

Durch Ableitung von Elektromyogrammen aus dem M. orbicularis oculi von Probanden und Patienten mußte klinisch die Frage nach der Art der Ableitungstechnik der Muskelpotentiale geklärt werden (Kap. 5.2.3). Auch mußte die Signalverarbeitungselektronik für die Generierung des Steuerimpulses unter klinischen Bedingungen getestet werden. Ergebnisse dieser Untersuchungen flossen direkt in die Entwicklungsarbeiten ein und unterstützten die Optimierung der Layoutentwicklung der Elektronik (Kap. 6.1.5).

Monopolar abgeleitete Elekromyogramme über Hautelektroden bei den fünf gesunden Probanden zeigten die Nichteignung des Verfahrens für den geplanten Zweck. Obwohl diese Technik einfach und wenig belastend war, waren die Potentiale des Lidschließers so nicht zu messen, da sie von Signalen anderer Gesichtsmuskeln, z.B. bei mimischen Bewegungen oder bei Kaubewegungen, überlagert wurden. Die Aktivitäten waren aus den abgegriffenen Summenpotentialen nicht eindeutig isolierbar. Außerdem waren die Amplituden der Potentiale beim unwillkürlichen Lidschluß mit maximal 20μV sehr schwach (Abb. 136). Dagegen konnten über eine monopolare Ableitung mit einer Nadelelektrode die Muskelpotentiale des Lidschließers aus dem M. orbicularis oculi abgegriffen werden (Abb. 137). Trotzdem waren die Störungen für ein eindeutiges Steuerungssignal noch zu stark.

Abb. 136: Muskelpotentiale von einer monopolaren Ableitung mit einer Klebeelektrode auf dem Oberlid (männlich; 42 Jahre)

[Unwillkürlicher Lidschluß mit grünem Pfeil markiert; rote Balken entsprechen auf der y-Achse 20μV, auf der x-Achse 100ms]


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Abb. 137: Muskelpotentiale von einer monopolaren Ableitung mit einer Nadelelektrode im M. orbicularis oculi (weiblich; 24 Jahre)

[Unwillkürlicher Lidschluß mit grünem Pfeil markiert; rote Balken entsprechen auf der y-Achse 0,1mV, auf der x-Achse 100ms]

Mit der bipolaren Ableitungstechnik über eine Nadelelektrode konnten bei allen Patienten eindeutig differenzierbare Signale des M. orbicularis oculi ermittelt werden (Kap. 5.2.3). Zwei Beispiele zeigen Abb. 138 und Abb. 139. Abb. 140 verdeutlicht dagegen die Potentialableitung aus dem Muskel beim willkürlichen forcierten längeren Lidschluß.

Die Untersuchungen demonstrierten, daß bipolar mit einer im Muskel liegenden Elektrode gearbeitet werden mußte.

Abb. 138: Muskelpotentiale beim unwillkürlichen Lidschluß bei bipolarer Ableitung mit einer Nadelelektrode im M. orbicularis oculi (männlich; 39 Jahre)

[Unwillkürlicher Lidschluß mit grünen Pfeilen markiert; rote Balken entsprechen auf der y-Achse 20μV, auf der x-Achse 100ms].


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Abb. 139: Muskelpotentiale bei einem unwillkürlichen Lidschluß - zwischen den senkrechten Linien - aus dem M. orbicularis oculi mit bipolarer Nadelelektrodenableitung (männlich; 56 Jahre)

[rote Balken entsprechen auf der y-Achse 50μV, auf der x-Achse 10ms].

Abb. 140: Muskelpotentiale beim forcierten willkürlichen Lidschluß aus dem M. orbicularis oculi mit bipolarer Nadelelektrodenableitung (männlich; 56 Jahre)

[rote Balken entsprechen auf der y-Achse 50μV, auf der x-Achse 20ms].

Da in der Elektronik entweder die positiven oder die negativen Spitzenpotentiale ausgewertet werden konnten, wurden bei den Messungen mit der bipolaren Nadelelektrodenableitung bei den Probanden und den Epithesenpatienten die positiven und negativen Spitzenamplituden getrennt bestimmt. Es wurden bei jedem Probanden und Patienten von 10 unwillkürlichen Lidschlägen die jeweils niedrigste Spitzenamplitude in die Untersuchung aufgenommen. Wie die Zusammenstellung in Abb. 141 zeigt, ist in der Mehrzahl der Fälle der Betrag der negativen Spitzenpotentiale größer als die positive Spitzenspannung. Diese Tatsache konnte in der Entscheiderstufe ausgenutzt werden; d.h., daß der Impuls für die Steuerelektronik erst bei Unterschreitung einer bestimmten Schwellspannung generiert wurde. Die Höhe des Schwellwertes wurde nach den Messungen in der Schaltung auf 50µμV angesetzt. Damit sollte sichergestellt sein, daß alle unwillkürlichen Lidschläge erfaßt wurden. Ein weiteres Herabsetzen des Schwellwertes hätte die Störsicherheit der Schaltung beeinträchtigt.


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Abb. 141: Spitzenamplitudenmessungen bei 12 Patienten (5 Probanden/ 7 Epithesenpatienten)

[Der schwarze Balken entspricht dem eingestellten Schwellenwert.]

Bei den gesunden Probanden bestand natürlich die Möglichkeit, beidseits Muskelpotentiale aus dem M. orbicularis oculi abzuleiten. Für einen Steuerimpuls konnte bei den exenterierten Patienten auf jeden Fall das gesunde Oberlid kontaktiert werden. Da manchmal auf der versehrten Seite Reste von Muskelstümpfen des Lidschließers vorhanden waren, bestand die Überlegung, nach muskulärer Restaktivität des M. orbicularis oculi zu suchen, die eventuell als Steuerungsimpuls dienen könnte. In diesem Fall wäre dem Patienten die Kontaktierung des gesunden Oberlides erspart geblieben.

So wurden bei den Epithesenpatienten neben den EMG-Ableitungen aus dem M. orbicularis oculi vom gesunden Auge auch Ableitungsmessungen aus dem kranialen Anteil der operierten Orbita durchgeführt. Jeweils von 10 unwillkürlichen Lidschlägen wurden die maximalen Spitzenamplituden verglichen (Tab. 25).

Tab. 25: Vergleich der maximalen Muskelpotentialamplituden des M. orbicularis oculi beim unwillkürlichen Lidschluß des gesunden Oberlids und aus der exenterierten Orbita

in der exenterierten Orbita (mV)

im gesunden Oberlid (mV)

0,15

0,2

0,1

0,15

0

0,1

0,15

0,2

0,1

0,1

0,1

0,1

0

0,1

Bei dem hier untersuchten Patientenkollektiv ließ sich eine Restaktivität des M. orbicularis oculi aus der exenterierten Orbita bei fünf von sieben Patienten nachweisen. Die Potentialamplituden der Muskelaktivität beim unwillkürlichem Lidschluß waren bei zwei Patienten ebenso groß wie auf der gesunden Gegenseite, bei drei Patienten um ½ - ⅓% geringer.


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Beim Nachweis von Restaktivität des M. orbicularis oculi bestand also die Möglichkeit, eventuell von der erkrankten Seite muskuläre Potentiale zur Steuerung heranzuziehen.

6.2.4 EMG-Ansteuerung der aktiven Einheit

Nach der Dimensionierung und dem Aufbau der Schaltung wurde das Erkennungsverhalten der aktiven Einheit zuerst mit synthetischen Signalen getestet. Das Ausgangssignal eines Frequenzgenerators wurde über einen Spannungsteiler auf eine Amplitude von etwa 50µV eingestellt. Die Einspeisung dieses Signals führte jedes mal zur zuverlässigen Generierung eines Steuerimpulses in der Schaltung.

Dann wurde bei einem freiwilligen Probanden die bipolare EMG-Einspeisung mit einer Nadelelektrode aus dem M. orbicularis oculi in die aktive Einheit durchgeführt. Als differente Elektrode wurde eine Nadelelektrode in den M. orbicularis oculi ins Oberlid eingestochen (Kap. 5.2.4). Die zweite differente Ableitung wurde an den seitlichen Nasenrücken geklebt, die Neutralelektrode war an der Stirn befestigt. Eingeleitet wurden die Signale in die Elektronik der aktiven Einheit. Der Schwellwert war bei 50µV eingestellt. Die Generierung eines Steuerimpulses führte zur Auslösung des künstlichen Lidschlags. Trotz langer ungeschirmter Ableitkabel und der damit verbundenen hohen Störeinkoppelung wurden mehr als 90% der unwillkürlichen Lidschläge erkannt und verarbeitet.

Allerdings zeigte es sich in diesem praktischen Versuch, daß die Schließ- und Öffnungsbewegung des künstlichen Lides nicht zeitgleich mit dem unwillkürlichen Lidschluß war. Deswegen und aufgrund der individuellen Varianz der Dauer der unwillkürlichen Lidschläge zwischen einzelnen Personen (Kap. 6.2.2) wurden in die Schaltung Potentiometer eingefügt, um für jeden Patienten individuell eine zeitliche Anpassung der natürlichen und künstlichen Lidbewegung erzielen zu können. Insgesamt war es über 5 fein justierbare Potentiometer möglich, die in Tabelle Tab. 26 gelisteten Parameter zu verändern.

Tab. 26: Potentiometer der Schaltung zur individuellen zeitlichen Anpassung der künstlichen und natürlichen Lidbewegung

Potentiometer für

Wert

Einstellbereich

Voreinstellung

Bestromung „Schließen“

100 k

ca. 10 ... 100ms

ca. 20ms

Verzögerung

100 k

ca. 10 ... 100ms

ca. 70ms

Bestromung „Öffnen“

100 k

ca. 10 ... 100ms

ca. 50ms

Refraktärzeit

500 k

ca. 0,5 ... 2 s

ca. 1 s

Signalverstärkung

500 k

ca. 1 ... 90 x

ca. 48 x

Die Geschwindigkeit der Lidbewegung. konnte man nicht einfach über eine Verstellung beeinflussen. Die Geschwindigkeit wurde durch die Drehzahl des Antriebs bestimmt und war abhängig von der Versorgungsspannung und der Getriebeuntersetzung. Sollte dieser Parameter geändert werden, so hätte man den Getriebemotor mit anderem Untersetzungsverhältnis ausstatten müssen. Denn die Versorgungsspannung war nicht manipulierbar und annähernd konstant.


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Dann wurde die Funktionstüchtigkeit der aktiven Einheit mit abgeleiteten Muskelpotentialen vom M. orbicularis oculi an den beiden Epithesenpatienten, die mit einer „beweglichen“ Epithese versorgt werden sollten, überprüft (Kap. 5.2.5). Bei beiden Patienten lag operationsbedingt keine Restaktivität des M. orbicularis oculi in der exenterierten Orbita vor.

Zuerst wurden zum Nachweis ausreichender Muskelaktivität bei beiden Patienten bipolare Ableitungversuche aus dem gesunden M. orbicularis oculi über eine Nadelelektrode durchgeführt. Die Neutralelektrode und die differente Elektrode wurden auf sphärische Magneten (Fa. Steco-system-technik) aufgesetzt. Über ein Ableitungskabel wurde die Verbindung zur aktiven Einheit hergestellt. Es konnten eindeutige muskuläre Signale bei jedem unwillkürlichen Lidschlag registriert werden (Abb. 142).

Abb. 142: Bipolare Ableitung der Muskelpotentiale beim unwillkürlichen Lidschluß aus dem M. orbicularis oculi mit einer Nadelelektrode (Pat. Nr. 2)

[rote Balken entsprechen auf der y-Achse 100μV, auf der x-Achse 500ms; grüne Pfeile markieren vier Lidschläge].

Patient Nr. 1

Die aktive Einheit wurde mit EMG - Signalen von der Nadelelektrode, im gesunden M. orbicularis oculi liegend, getriggert. Nach individuellem Einstellen der Potentiometer bewegte sich bei ca. 95% der unwillkürlichen Lidschläge das gesunde und das „künstliche“ Oberlid synchron miteinander (Abb. 143).


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Abb. 143: Die aktive Einheit (mit Pfeil markiert) im Funktionstest am Patienten Nr.1.

links) Auge geschlossen, rechts) Auge geöffnet.

Patient Nr. 2

Die in Kap. 5.2.5 beschriebene Operation der EMG – Elektrodenimplantation verlief komplikationslos. Die Weichteilverhältnisse im Bereich der Durchtrittsstelle zur Orbita und am gesunden Oberlid nach der Elektrodenimplantation waren postoperativ völlig reizlos (Abb. 144 und Abb. 145). Der Stecker des Elektrodenkabels konnte durch eine speziell angefertigte kleine abnehmbare Kappe aus Teflon® (Polytetrafluorethylen) abgedeckt und so vor Feuchtigkeit bzw. Verschmutzung geschützt werden (Abb. 146).

Abb. 144: Zustand nach subcutaner Implantation der EMG – Elektrode (V 438), (Patient Nr. 2)

Abb. 145: Reizlose Durchtrittsstelle der EMG – Elektrode (V 438) durch die Haut, (Patient Nr. 2)

Abb. 146: Abnehmbare Schutzkappe zum EMG – Steckerschutz (V 438), (Patient Nr. 2)


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Zunächst wurde die Funktionstüchtigkeit und die richtige Lage der implantierten EMG - Elektrode (V 438) mittels EMG - Ableitung getestet (Kap. 5.2.5). Muskuläre Potentiale des M. orbicularis oculi konnten bei geringer Störaktivität für jeden unwillkürlichen Lidschlag aufgezeichnet werden (Abb. 147).

Abb. 147: Bipolare Ableitung der Muskelpotentiale beim unwillkürlichen Lidschluß aus dem M. orbicularis oculi über die implantierte Elektrode V 438 (Pat. Nr. 2).

[rote Balken entsprechen auf der y-Achse 50μV, auf der x-Achse 200ms; grüne Pfeile markieren zwei Lidschläge]

Dann wurde der gleiche Funktionstest zur Ansteuerung der aktiven Einheit mit den muskulären Potentialen, abgeleitet von der implantierten EMG - Elektrode (V 438), durchgeführt. Nach individuellem Einstellen der Potentiometer konnte auch hier der unwillkürliche Lidschlag verzögerungsfrei in ca. 95% einen „künstlichen“ Lidschlag auslösen (Abb. 148).

Abb. 148: Die aktive Einheit (mit Pfeil markiert) im Funktionstest bei Patient Nr. 2


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6.2.5  Patientenrehabilitation

Die aufgebaute aktive Einheit hatte sich in der Laborerprobung und in Tests mit abgeleiteten Myosignalen bewährt. Der nächste Schritt war die individuelle Anfertigung für die zwei Patienten. Zur Anamnese verweise ich auf Kap. 5.2.5.

Mit Hilfe der angefertigten Kunststoff - Dummys (Abb. 111, Abb. 112) wurden bei den Patienten die Resektionsdefekte hinsichtlich der Wahl einer Variante der möglichen Gehäuseschalen untersucht. Es stellte sich heraus, daß Variante B (Abb. 108, Abb. 109, Abb. 110) und damit die Anbringung des Motors unter den Antrieb der einzig gangbare Weg war, da in der Tiefe nicht genug Platz zur Verfügung stand. Zusätzlich mußten aber noch aus Platzgründen der Antrieb und die Batterie seitlich zur Augenschale mit innenliegender Elektronik versetzt positioniert werden (Abb. 149). Dieses machte die Herstellung einer individuellen Seilrolle zur Fadenaufwicklung notwendig (Abb. 152, Abb. 153).

Abb. 149: Gehäuse, bei dem Motor und Batterie seitlich zur Augenschale und zur Elektronik versetzt sind (Ansicht von vorne und seitlich)

Die Herstellung, Zusammensetzung und Prüfung der aktiven Einheit geschah (bis auf die oben genannte unterschiedliche Positionierung der Bauelemente Augenschale und Elektronik zum Antrieb und zur Batterie) bei beiden Patienten in der oben beschriebenen Weise (Abb. 150, Abb. 151). Durch die Gehäuseschale der fertiggestellten gekapselten Funktionseinheiten wurden drei Perforationen gefräst, aus denen die Elektrodenkabel herausgeleitet wurden, zwei Kabel für die differenten Elektroden und ein Kabel für die indifferente Neutralelektrode.

Neben dem gering unterschiedlichen Versatz der Komponenten Augenschale/Elektronik zu Antrieb/Batterie wurden in der aktiven Einheit beim Patienten Nr. 2 die Potentiometer für die Einstellung der Refraktätzeit und der Verstärkung nicht auf den Elektronikplatinen, sondern auf dem Motor plaziert. Es hatte sich nach Versorgung des ersten Patienten gezeigt, daß die Lage dort das Feinabstimmen der synchronen Lidbewegung durch die bessere Zugänglichkeit erleichterte (Abb. 152, Abb. 153).


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Abb. 150: Individuell hergestellte aktive Einheit, noch ohne montierte Ableitungskabel (Patient Nr. 1).

Abb. 151: Individuell hergestellte aktive Einheit (Patient Nr. 2).

Abb. 152: Innenleben der aktiven Einheit von dorsal (Patient Nr. 1)

Abb. 153: Innenleben der aktiven Einheit von dorsal (Patient Nr. 2); Lage der Potentiometer für die Einstellung der Refraktärzeit und der Verstärkung auf dem Antriebsmotor

Danach konnte die Integration in die Silikonepithese erfolgen. Sie war für beide Patienten identisch. Es war die bekannte Standardtechnik der Epithesenherstellung nicht in allen Schritten durchführbar (Kap. 1.4). Einzelne Arbeitsschritte mußten neu konzipiert und durchgeführt werden. Der Abdruck des ausgedehnten Gesichtsdefektes und die Modellherstellung erfolgten in gewohnter Weise (Abb. 20, Abb. 21). Eine Acrylatträgerplatte für die Aufnahme der retentiven Elemente wurde nicht hergestellt. Um die gekapselten Funktionseinheiten herum wurde vom Anaplastologen die feine Wachsmodellierung in groben Zügen am Modell durchgeführt. Anschließend wurde am Patienten das Auge mit dem dahinterliegenden Gehäuse dreidimensional ausgerichtet und die Oberfläche der Epithese in genauer Anpassung an das Gesicht fein ausmodelliert (Abb. 154)


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Abb. 154: Aus Wachs modellierte Epithese mit integrierter aktiver Einheit (Patient Nr. 2)

Abb. 155: „Dummy“ der aktiven Einheit (Patient Nr. 2)

Da die gekapselten Funktionseinheiten wasser- und hitzeempfindlich sind, konnten sie nicht in Gips eingebettet werden und beim Vulkanisationsvorgang des Silikons in der Küvette liegen. Deswegen wurde nach Fertigstellung das Gehäuse vorsichtig aus dem Wachs entfernt und über einen Silikonabdruck ein „Dummy“ aus Acrylat - Kunststoff (PERform®) hergestellt (Abb. 155).

Der „Dummy“ wurde anstelle der gekapselten Funktionseinheiten in das Wachsmodell eingesetzt und dieses nochmals am Patienten auf korrekten Sitz überprüft. Dann wurde die Epithese in Wachs mit liegendem „Dummy“ in typischer Weise eingebettet (Abb. 156). Nach Ausbrühen des Wachses wurden auf die Modellmagnete Prothesentitanmagnete (Fa. Steco-system-technik) aufgesetzt (Abb. 157, Abb. 158).

Abb. 156: In der Küvette eingebettete Epithese mit „Dummy“, (Patient Nr. 1)

Abb. 157: Gipsform nach Wachsausbrühen mit aufgesetzten Prothesenmagneten (Rückseite), (Patient Nr. 1)


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Abb. 158: Gipsform nach Wachsausbrühen mit liegendem „Dummy“ (Vorderseite), (Patient Nr. 1)

Die Silikoneinfärbung, d.h. das Anpassen an die Gesichtsfarbe am Patienten, und das Vulkanisieren des Silikons erfolgten in gleicher Weise wie bei der Anfertigung einer „starren“ Epithese (Kap. 1.4). Nach Entfernen des „Dummy‘s“ wurde das Gehäuse mit den Funktionseinheiten in die vulkanisierte Epithese eingesetzt, am Patienten nochmals ausgerichtet und mit kaltvulkanisierendem Silikon (Silastic®) an der Silikonepithese festgeklebt. Mit Hilfe eines Scalpells wurden störende Silikonüberhänge im Bereich der Lidmembran entfernt, die sonst eine reibungslose Lidöffnung behindert hätten. Die sphärischen Prothesenmagnete (Fa. Steco-system-technik), die für die zweite differente und die Neutralelektrode vorgesehen waren, wurden aus der Silikonbasis entfernt und durch Ausfräsen Platz für sphärische Prothesenmagnete mit Retentionsringen (Abb. 24; Fa. Steco-system-technik) geschaffen. Auch mußten die Elektrodenkabelkanäle aus dem Silikon herausgefräst werden. An dem einen Magnet wurde die differente und an dem anderen die Neutralelektrode weich angelötet. Die Magnete und die Kabel wurden in die präparierten Mulden und Rillen eingesetzt und mit kaltvulkanisierendem Silikon (Silastic®) verkleidet. Zur Aufnahme des Zuleitungskabels der EMG-Signale wurde eine Rille gefräst und mit kaltvulkanisierendem Silikon verkleidet. Als Augenbrauenersatz dienten geklebte Schnurrbärte aus echtem Haar. Auf das Einziehen von Oberlidwimpern wurde verzichtet, um die Lidlatexmembran nicht zu verletzen. Bei Patient Nr. 1 wurden die Oberlider durch einen schwarzen Farbstrich angedeutet. Zusätzlich verhinderte der am kaudalen Ende des Kunstlides liegende Gleitbügel aus PMMA ein einfaches Einziehen von Haaren. Das Endprodukt bei Patient Nr. 1 hatte ein Gewicht von 104,5 g, bei Patient Nr. 2 von 93,3 g. Die alte „starre“ Epithese des Patienten Nr. 1 wog 80,0 g und des Patienten Nr. 2 69,3 g. Die letzte Farbanpassung an die Hautfarbe des Patienten erfolgte durch die Sekundäreinfärbung.

Die Neutralelektrode und die differente Elektrode, einvulkanisiert in die Silikonbasis der Epithese kontaktierten beim Einsetzen jeweils sphärische Magnete. Die EMG-Signale bei Patient Nr. 1 wurden durch die eingestochene EMG-Nadelelektrode und bei Patient Nr. 2 über die implantierte Elektrode (V 438) vom gesunden Oberlid abgeleitet und zur Epithese geleitet. Die in der Silikonepithese integrierte gekapselte aktive Einheit wurde durch den kleinen „ON“-Schalter aktiviert. Nach individuellem Einstellen der Potentiometer zeigte sich bei beiden Patienten eine reibungslose, augenfällig [Seite 96↓]verzögerungsfreie, synchron zum gesunden Oberlid verlaufende Imitation des unwillkürlichen Lidschlages (ca. 95 prozentige Erkennungsrate). Ein leises „Klickgeräusch“ bei der Lidbewegung war zu hören. Die subjektive Beurteilung durch die Patienten fiel positiv aus (Abb. 159, Abb. 160, Abb. 161, Abb. 162, Abb. 163, Abb. 164, Abb. 165, Abb. 166, Abb. 167, Abb. 168, Abb. 169, Abb. 170, Abb. 171, Abb. 172, Abb. 173, Abb. 174, Abb. 175, Abb. 176, Abb. 177).

Abb. 159: Ansicht der fertigen Epithese (Patient Nr. 1) mit geschlossenem Deckel von dorsal.

(roter Pfeil markiert den „ON“ - Schalter, grüner Pfeil die Steckkontaktstelle zwischen EMG - Elektrode und Epithese, weiße Pfeile zeigen auf die differente und die Neutralelektrode und der gelbe Pfeil auf einen Haltemagneten)

Abb. 160: Ansicht der fertigen Epithese (Patient Nr. 1) mit abnehmbarem Deckel von seitlich.

(roter Pfeil markiert den „ON“ - Schalter, grüner Pfeil die Steckkontaktstelle zwischen EMG - Elektrode und Epithese)

Abb. 161: Ansicht der Epithese (Patient Nr. 2) mit geschlossenem Deckel von dorsal.

(roter Pfeil markiert den „ON“ - Schalter, grüner Pfeil die Steckkontaktstelle zwischen EMG - Elektrode (V 438) und Epithese)

Abb. 162: Ansicht der Epithese (Patient Nr. 2) mit geschlossenem Deckel von dorsal.

(roter Pfeil markiert den „ON“ - Schalter, grüner Pfeil die Steckkontaktstelle zwischen EMG - Elektrode (V 438) und Epithese, weiße Pfeile zeigen auf die differente und die Neutralelektrode und gelbe Pfeile auf zwei Haltemagnete)


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Abb. 163: Orbitaepithese in Funktion (Patient Nr.1)

Ansicht von vorn, Lid offen.

Abb. 164: Orbitaepithese in Funktion (Patient Nr.1)

Ansicht von vorn, Lid geschlossen.

Abb. 165: Orbitaepithese (Patient Nr.1)

Abb. 166: Orbitaepithese in Funktion (Patient Nr.1)

Detailansicht von vorn, Lid offen.

Abb. 167: Orbitaepithese in Funktion (Patient Nr.1)

Detailansicht von vorn, Lid halb geschlossen.

Abb. 168: Orbitaepithese in Funktion (Patient Nr.1)

Detailansicht von vorn, Lid geschlossen.

Abb. 169: Orbitaepithese in Funktion (Patient Nr.1)

Ansicht von der Seite, Lid geöffnet.

Abb. 170: Orbitaepithese in Funktion (Patient Nr.1)

Ansicht von der Seite, Lid geschlossen.


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Abb. 171: Orbitaepithese in Funktion (Patient Nr.2)

Ansicht von vorn, Lid offen.

Abb. 172: Orbitaepithese in Funktion (Patient Nr.2)

Ansicht von vorn, Lid geschlossen.

Abb. 173: Orbitaepithese (Patient Nr.2)

Abb. 174: Orbitaepithese in Funktion (Patient Nr.2)

Detailansicht von vorn, Lid offen.

Abb. 175: Orbitaepithese in Funktion (Patient Nr.2)

Detailnsicht von vorn, Lid geschlossen.


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Abb. 176: Orbitaepithese in Funktion (Patient Nr.2)

Ansicht von der Seite, Lid offen.

Abb. 177: Orbitaepithese in Funktion (Patient Nr.2)

Ansicht von der Seite, Lid geschlossen.


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16.12.2004