Biomechatronische Systeme: Die Medizintechnik-Abteilung komplettiert ihre Kompetenzen

Der Forschungsfokus bleibt gleich: Die Wissenschaftler entwickeln technische Lösungen für die Erfassung, Kontrolle und Erzeugung von Bewegungen für orthopädische und nicht-medizinische, industrielle Anwendungen.

Bewegungskontrollsysteme

Die natürlichen Bewegungsabläufe des Menschen sind Ausgangspunkt für Anwendungen in Forschung und Industrie. Sie werden genau vermessen und ausgewertet, um Orthopädietechnik möglichst nah am natürlichen Vorbild zu entwickeln. Die Detektion und Nachbildung von natürlichen Bewegungsmustern des Menschen steht daher im Mittelpunkt der Forschungsarbeiten in der Gruppe »Bewegungskontrollsysteme«. Die in ihr entwickelten Steuerungs- und Regelsysteme finden auch über die Medizintechnik hinaus Anwendung.

Einen wichtigen Teil der Forschung bildet die Aufnahme und Verarbeitung von Biosignalen sowie die Auswertung zur Echtzeit-Steuerung und die EMG-basierte Erkennung von Willkürsteuerungen von Prothesen, um natürliche Bewegungsabläufe beim Amputierten wieder zu ermöglichen. Durch Sensortechnik werden intelligente Steuerungen für Prothesen und Orthesen entwickelt, die auf die verschiedenen Gangphasen sowie auf den zu betretenden Untergrund abgestimmt sind. Eine Technik, die in verschiedensten Anwendungsfeldern, wie zum Beispiel auch in der Personenüberwachung oder der Steuerung von Werkzeugmaschinen zum Einsatz kommen kann.

Im Bereich der Sensorfusion arbeiten die Forscher am Fusionskonzept von Inertialsensorik (INS) und optischer Sensorik mittels Kamera, um ein Gesamtbild zu erhalten, das die Genauigkeit der Bewegungseinschätzung erhöht und Sensorfehler kompensiert. Ebenso steht die Entwicklung von intelligenten elektrischen und elektronischen Antriebssystemen, z.B. für aktiv angetriebene Prothesen und Orthesen, im Mittelpunkt der Forschung.

Biomechanik Engineering

Energieeffiziente innovative Lösungen in der Prothetik, Orthetik und Rehabilitation entwickelt die Forschungsgruppe »Biomechanik Engineering«. Für die technische Umsetzung in die Medizintechnik interessiert die Wissenschaftler die zugrunde liegenden biologischen Prozesse und Prinzipien. Die Natur als Vorbild und Ansätze aus der Bionik dienen zur Entwicklung energieeffizienter Fortbewegungsmöglichkeiten. Auf diese Weise werden zum Beispiel neue Gelenke für passive Oberschenkel-Prothesen und Prothesenfüße entwickelt. Testverfahren und Simulationen kommen hinzu, um bestehende und neue Orthopädietechnik auf Funktionalität, Ergonomie und Lebensdauer zu untersuchen und zu verbessern.

Zum Themengebiet der Abteilung gehört auch die biomedizinische und fertigungstechnische Entwicklung einer PCU-Plattformtechnologie. Mit dieser können hochbeanspruchte Membranen und Implantate wie künstliche Herz- oder Venenklappen aus Polycarbonaturethan gefertigt werden. Außerdem arbeitet die dynamische Forschergruppe an neuen Verfahren, Instrumenten und Implantaten für die orthopädische Chirurgie.

Virtual Orthopedic Lab

Einen simulationsgestützten Workflow für die Produktentwicklung der Orthopädietechnik und -forschung soll der noch junge Arbeitsbereich der (computergesteuerten) Biomechanik schaffen. Anhand biomechanischer Simulationen des menschlichen Bewegungsapparats können verschiedene Bewegungsszenarien simuliert und damit Produktentwicklungsprozesse vereinfacht und beschleunigt werden. Dies bedeutet gleichzeitig eine Erhöhung der Engineering- und Testkompetenz der Abteilung »Biomechatronische Systeme«. Mit der Simulationsplattform und der grundlagenorientierten Forschung im Bereich der rechnergestützten Biomechanik bietet das Virtual Orthopedic Lab die Chance, praxisrelevante, komplexe Problemstellungen effizient zu untersuchen und einzusetzen.

Größtes Rehab-Research-Forschungsnetzwerk der Welt

Das interdisziplinäre Team der Abteilung vereint die Fachgebiete Maschinenbau, Elektrotechnik, Mechatronik, Informatik, Mathematik, Kybernetik, Orthopädie- und Medizintechnik sowie Biologie und Medizin. Eine enge Zusammenarbeit der Forschungsgruppen erlaubt die erfolgreiche Arbeit an gemeinsamen Fragestellungen im gesamtwissenschaftlichen Kontext.

Kooperation und Vernetzung wird aber nicht nur in der Abteilung selbst großgeschrieben. Durch die Arbeit mit starken Partnern werden Kompetenz und Innovationskraft kontinuierlich gefördert.

Eine besonders enge und zukunftsträchtige Kooperation besteht mit Minneapolis VA Healthcare System, der Forschungsabteilung für Orthopädietechnik des US Ministeriums für die Veteranen, der die Expertise des Fraunhofer IPA ideal ergänzt. Auch die Partnerschaft zur Universität Southampton steht für einen intensiven wissenschaftlichen Austausch und gemeinsam mit dem Exzellenzcluster SIMTECH der Universität Stuttgart wurde die Forschungsgruppe »Virtual Orthopedic Lab« gegründet, die durch komplexe Simulationen maßgeblich die Forschung in der Abteilung unterstützt. Die Abteilung »Biomechatronische Systeme« ist Mitinitiator von O-PAEDIX (www.o-paedix.com), einem Netzwerk für innovative Orthopädietechnik.

Durch diese vielfältigen Kooperationen ist mit und um das Fraunhofer IPA das derzeit größte Rehab-Research-Forschungsnetzwerk der Welt entstanden.

Ansprechpartner
Dr. Urs Schneider
Telefon +49 711 970-1221
urs.schneider@ipa.fraunhofer.de