Nutzerfreundliche, aktive Beinprothesen

Grundlagentechnologien für nutzerfreundliche, energieeffiziente, aktive Beinprothesen

 

Motivation

Menschen mit Oberschenkelamputation wünschen sich einen adäquaten Ersatz für ihr verlorenes Bein, der einen natürlichen Gang erlaubt und von ihnen als Körperteil angenommen wird. Einen vielversprechenden Ansatz hierfür liefern Prothesen, die den Gang aktiv durch Antriebe unterstützen. Für die Untersuchung und Bewertung von Grundlagentechnologien für aktive Beinprothesen werden in diesem Projekt schrittweise verschiedene Gangszenarien analysiert, die die Grenzen heutiger Prothesen im Alltag und somit die Hauptanforderung für die Entwicklung neuer Konzepte darstellen:

  • Gehen auf einer schiefen Ebene
  • Rückwärtsgehen
  • Treppen auf- und absteigen
  • Gehen auf ebenem Untergrund mit häufig wechselnder Geschwindigkeit und Richtung wie in einer belebten Fußgängerzone

Hierdurch sollen geeignete bestehende Konzepte festgestellt und verbesserte neue Konzepte entwickelt werden, die sowohl energieeffizient als auch nutzerfreundlich sind. Für eine gesteigerte Nutzerfreundlichkeit ist die Integration der Prothese als Teil des eigenen Körpers sehr wichtig. Letzteres ist somit ein vordringliches Ziel bei der Konzeptentwicklung. Die im Zuge des Projekts entwickelte Entwicklungsmethodik stellt daher den Menschen als späteren Nutzer in den Mittelpunkt des Vorgehens. Dies geschieht während des gesamten Entwicklungsprozesses durch begleitende Fragebogen- oder Interviewstudien und Versuche mit unversehrten Personen, Prothesenträgern und Orthopädiespezialisten.

Konzept

Zur Entwicklung von Grundlagentechnologien für neue Konzepte nutzerfreundlicher, energieeffizienter, aktiver Beinprothesen stehen in diesem Projekt folgende drei Schwerpunkte im Mittelpunkt der Forschungsarbeiten, von denen jeweils ein Schwerpunkt federführend von einer der drei Gruppen unter Mitarbeit der jeweils anderen beiden bearbeitet wird:

Skizze zum Simulationsmodell der unteren Extremitäten
Skizze zum Simulationsmodell der unteren Extremitäten

Die Modellierung und Simulation von menschlichen Bewegungsabläufen liefert eine wichtige Grundlage für das Verständnis von funktionalen Abläufen und erlaubt die Spezifikation von technischen Auslegungsparametern für Prothesensysteme. Die Modellierung des zeitveränderlichen, dynamischen Verhaltens des menschlichen Bewegungsapparats führt auf ein hochdimensionales mechanisches Mehrkörpersystem, bestehend aus Teilmodellen für Skelett und Weichteilen, Muskeln und Sehnen als redundante Antriebe sowie Optimierungsmodellen zur Simulation der an einer Bewegung beteiligten Muskelgruppen.

Ein vielversprechender, aber numerisch anspruchsvoller Ansatz zur Untersuchung von Bewegungsabläufen biomechanischer Systeme mit redundanten Antrieben ist die Vorwärtsdynamiksimulation. Dabei wird die Ansteuerung der Antriebe durch die Auswertung eines Optimierungsproblems mit geeigneter Gütefunktion bestimmt. Durch die Vereinigung der biomechanischen Simulation des Prothesenträgers mit der technischen Simulation des Prothesensystems können grundlegende Entwicklungsansätze vor der Fertigung oder einem Test mit Prothesenträgern überprüft und optimiert werden. In der Informatik wird dafür an folgenden Themen geforscht:

  • Aufbau einer effizienten und modularen Modellierungs- und Simulationsumgebung für biomechanische Mehrkörpersysteme
  • Identifikation von benutzerspezifischen biomechanischen Modellparametern
  • Dynamiksimulationen von menschlichen Bewegungsabläufen
  • Erfassung von dreidimensionalen menschlichen Bewegungen
Prüfstand zum Antriebskonzept mit variabler Torsionssteifigkeit
Prüfstand zum Antriebskonzept mit variabler Torsionssteifigkeit

Neben den technischen Eigenschaften von Grundlagentechnologien wie Prothesenmechanik, Antriebstechnik und Regelung spielen für die Entwicklung von nutzerfreundlichen Prothesen auch weiche Faktoren aus dem Bereich der Usability und Ergonomie eine wichtige Rolle. Aus diesem Grund wird im Zuge der Untersuchungen zu Konzepten für Prothesen und deren Regelung eine erweiterte Entwicklungsmethodik erarbeitet, die den Nutzer während des kompletten Entwicklungszyklus einbinden soll. Hierdurch soll die psychologische Integration der Prothesen und damit Ihre Nutzbarkeit und auch ihre Funktionalität verbessert werden.

Als Werkzeuge dienen in dieser Methodik sowohl Fragebögen als auch Simulationen mit dem zum Patent angemeldeten Prothesenkonzeptsimulator „Prosthesis-User-in-the-Loop“. Mit Hilfe der Methodik und dieser Werkzeuge sollen somit bestehende technische Konzepte hinterfragt und neue Ansätze, die die Anforderungen der Nutzer besser erfüllen, erarbeitet werden. Unter den Grundlagentechnologien liegt hierbei der Schwerpunkt auf der Antriebstechnik und deren Regelung. Aktuell werden dabei folgende Punkte untersucht:

  • Entwicklung eines Antriebskonzepts mit variabler Torsionssteifigkeit (VTS)
  • Erarbeitung einer Entwicklungsmethodik zur Integration von Amputierten und Übersetzung von Nutzeranforderungen
  • Aufbau eines Roboters zur Beurteilung des psychologischen Faktors Körperschemaintegration
  • Konzeption und erste Implementierung des Prosthesis-User-in-the-Loop Simulatorkonzepts
Untersuchungen zur Bewertung der Körperschemaintegration
Untersuchungen zur Bewertung der Körperschemaintegration

Eine Amputation markiert in der Regel einen vollständigen neuen Lebensabschnitt, welche ganzheitliche Auswirkung (Kognition, Motorik, Emotion, usw.) auf die betreffende Person hat. In der Rehabilitation von amputierten Patienten wird versucht, die neuen sensiblen psychophysiologischen Zustände des Patienten aufzufangen und ihn bestmöglich für das alltägliche „neue“ Leben vorzubereiten.

Da das Nervensystem des Menschen als plastisch beschrieben werden kann, ist eine frühe Intervention oder Steuerung dieser Vorgänge wichtig um eine bestmögliche Integration der neuen, künstlichen Extremität in das Körperschema zu bewirken und somit Symptomen wie Phantomempfindungen und –schmerz vorzubeugen. Technologie kann hierbei einen wertvollen Beitrag liefern. Die Psychologie möchte hierzu zwei Beiträge liefern:

  • Welche psychophysiologischen Hinweise können zur Entwicklung von ingenieursspezifischen Handlungsanweisungen dienen?
  • Wie kann man eine Prothese besser in das Körperschema integrieren?

Eine wesentliche Verknüpfung der Forschung der drei beteiligten Gruppen entsteht durch die gemeinsame Entwicklung des Prothesenkonzeptsimulators „Prosthesis-User-in-the-Loop“. Dieser soll durch die Simulation der biomechanischen Interaktion zwischen der Prothese und dem Stumpf des Amputierten sowie einer visuellen Simulation der Umgebung, dem Probanden das Gefühl vermitteln mit einer lediglich als Simulationsmodell vorhandenen Prothese zu laufen.

Das Simulatorkonzept ermöglicht somit die Integration von Nutzern in allen Phasen des Entwicklungsprozesses, da neue Technologien auch ohne Anfertigung eines Prototyps untersucht und bewertet werden können. Hiermit und durch die nutzer-zentrierte Entwicklungsmethodik soll die Lücke geschlossen werden, die derzeit zwischen der Erfassung der Nutzeranforderungen durch Fragebögen und Interviews und der klinischen Erprobung der finalen Prothesenkomponenten besteht.

Förderung

Dieses Projekt wurde durch das FiF Forum für interdiszplinäre Forschung der Technischen Universität Darmstadt gefördert.