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Natürliche Bewegungen mit künstlichem Bein

Stuttgart, 12.05.2010 | 

Für Florian Dennerlein ist es ein kleines Wunder. Mit seiner neuen Prothese steigt der Unterschenkelamputierte völlig ohne fremde Hilfe und relativ flott die Treppe hinauf - Stufe um Stufe. Das rechte Bein anheben, die Knie anwinkeln, das Bein ein kleines Stück nach vorne versetzen, absetzen, auftreten, Gewicht verlagern. Dann folgt das linke Bein. Nach zwölf Stufen ist er am Ziel. Früher waren Treppenstufen für ihn eine sehr mühsame und holprige Angelegenheit. Jetzt kann er die Prothese viel feiner steuern. Und willkürlich - so wie es auch bei Menschen mit zwei gesunden Beinen funktioniert.

Mit gesunden Beinen sind Gehen, Laufen oder Treppensteigen natürliche Bewegungsabläufe, über die man nicht nachdenken muss, weil das Gehirn die Muskeln steuert. So werden diese zum richtigen Zeitpunkt und in der richtigen Intensität kontrahiert. Auch das Steuerungssystem der neuartigen Prothese, die Forscher des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) entwickelt haben, reagiert auf Gedanken. In ihrem Schaft sitzen Sensoren, die Signale an die verbleibenden Muskeln aufnehmen und sie in eine entsprechende Bewegung der Prothese umwandeln.

Zwar gab es bisher schon Prothesen mit einer willkürlichen Steuerung. Doch hatte diese einen entscheidenden Nachteil: Sie konnte unbewusste nicht von bewussten Bewegungen unterscheiden. Spannte ein Träger etwa im Sitzen unbeabsichtigt einen Beinmuskel an, reagierte das Kunstbein darauf und das Kniegelenk der Prothese streckte sich. Auf einer Treppe aber kann ein unkontrolliertes Beinausschlagen zur Gefahr für Menschen wie Florian Dennerlein werden.

Auch plötzlich auftauchende Hindernisse wie etwa eine Türschwelle sind für den Betroffenen ein Problem, wenn er sie nicht rechtzeitig erkennt. Denn nur dann kann er die Prothesenbewegung entsprechend abstimmen. "Unser neues Steuerungssystem merzt diese Gefahrenquellen aus und ermöglicht eine wesentlich intuitivere Kontrolle", sagt Projektleiter Harald von Rosenberg. Hinter dem System steckt eine ausgeklügelte Technik: Ein Sensorfeld misst sämtliche Aktivitätssignale der verbliebenen Beinmuskeln. Daraus muss das System anhand von bestimmten Mustern das ideale Muskelsignal bestimmen. "Das heißt, es muss den Wunsch des Prothesenträgers erkennen", erklärt von Rosenberg.

Gleichzeitig registrieren die Sensoren auch, in welchem Bewegungszustand sich der Prothesenträger gerade befindet, ob er gerade sitzt oder liegt, steht, geht oder rennt, ob er sich bückt oder hinkniet. Dabei helfen Drucksensoren, die wie ein Sandwich unter den elektronischen Sensoren liegen und beispielsweise erkennen, wenn der Amputierte gerade sein gesamtes Gewicht auf das Prothesenbein verlagert hat.

Beide Informationen - Muskelaktivitätssignal und Bewegungszustand - verwandelt das System in ein sogenanntes Willkürsignal. Dieses Signal löst dann die richtige Bewegung der Prothese aus und passt zusätzlich deren aktuelle Dämpfung an die Bewegung an. Das Besondere an dem System: Die Bestimmung des Willkürsignals erfolgt in Echtzeit. "So nähert sich die Verwendung von künstlichen Extremitäten immer mehr dem natürlichen Bewegungsablauf", erklärt von Rosenberg.

Die Forscher sehen aber noch viele weitere Anwendungsmöglichkeiten für ihre Erfindung. Da es sich um eine Mensch-Maschine-Schnittstelle handelt, kann sie bei der Bedienung von Geräten große Fortschritte bringen. Jogger, die beim Laufen Musik hören wollen, hätten leichtes Spiel. Um den MP3-Player zu starten, müssten sie nur den Muskel im Oberarm anspannen, anstatt umständlich während des Laufens nach den Knöpfen zu tasten. Wie diese und andere Steuerungen funktionieren, demonstrieren die Forscher vom 18. bis 20. Mai auf der Messe Sensor+Test 2010 an einer Flippermaschine. Hier registrieren Sensoren, die auf den Unterarm geklebt werden, die Muskelanspannung des Spielers.

www.ipa.fraunhofer.de

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