Beinprothese mit »Gefühl«

Ist die Prothese richtig eingestellt? Arbeiten Kniegelenk und Fuß gut zusammen? Wie harmonisch ist das Gangbild?

Dies lässt sich in einem Ganglabor klären. Im Boden dieses Labors befinden sich spezielle Platten: Sie messen etwa die Kraft, mit der ein Patient beim Gehen auftritt, und ermitteln, wie der Fuß dabei abrollt. Zudem nehmen mehrere Kameras die Bewegung auf. So kann der Orthopädietechniker die Prothese optimal einstellen. Die Messdaten berücksichtigen jedoch nur jeweils ein bis zwei Schritte, die die Patienten mehrfach wiederholen.

Künftig lassen sich Prothesen auch außerhalb des Ganglabors optimieren – bei höherer Genauigkeit: Forscher am Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST in Braunschweig haben in Zusammenarbeit mit der Otto Bock HealthCare GmbH einen speziellen Mess-adapter entwickelt. Dieser ist 4 x 4 x 3 Zentimeter groß und sitzt am Fußgelenk oder oberhalb des Knies. Der Adapter misst die auftretenden Kräfte in drei Raumrichtungen und drei Momente.

Ein Miniatur-Datenlogger in der Nähe des Sensors liest die Daten aus und speichert sie. »Mit diesem Adapter ist es erstmals möglich, über einen Tag hinaus kontinuierlich zu erfassen, wie die Beinprothese bei unterschiedlichen Alltagsaktivitäten belastet wird«, sagt Dr. Ralf Bandorf, Gruppenleiter am IST. Der Adapter verfügt über acht Messbrücken mit jeweils vier Dehnungsmessstreifen. Diese bestehen aus einer gesputterten Isolierschicht und einer darüberliegenden Metallschicht.

Beim Laufen dehnt sich diese Schicht abhängig von der Art der Bewegung aus, dadurch ändert sich der elektrische Widerstand der Metallschicht. Da die 32 Messstreifen an unterschiedlichen Stellen und in verschiedenen Richtungen angebracht sind, verraten die Daten genau, wie die Prothese belastet wird. Dehnungsmessstreifen, wie sie in der Sensorik eingesetzt werden, bestehen aus aufgeklebten Folien. Die Schichten, die direkt auf die Oberfläche gesputtert werden, lassen sich auch auf den komplex geformten Geometrien des Adapters anbringen – etwa Kanten – was bei Folien schwierig ist. Zudem sind sie unempfindlich gegenüber Feuchtigkeit und benötigen keinen Kleber.

»Die Herausforderung lag vor allem darin, eine passende Geometrie für den Adapter zu entwickeln«, sagt Dr. Ralf Bandorf. Dieser darf einerseits nicht zu groß sein, da der Bauraum der Prothese begrenzt ist. Andererseits muss er genügend Raum bieten, um die Messstreifen unterzubringen. Einen Prototypen des Adapters testen die Entwickler bereits bei ersten Patienten. Auf der Hannover-Messe vom 20. bis 24. April stellen die Forscher den Adapter vor (Halle 6, Stand F48).