Aktiv in die Zukunft schrei­ten — Auf den Spu­ren der welt­weit ers­ten motor­ge­trie­be­nen Beinprothesen

M. Grimmer
Zur Nachbildung des menschlichen Ganges werden in der Beinprothetik zunehmend biologische Wirkmechanismen nachempfunden. Bis zur Jahrtausendwende wurden vornehmlich passive Systeme entworfen, die elastische, stützende oder auch dämpfende Eigenschaften abbilden können. Mit der Einführung semiaktiver Prothesenkomponenten wurde es zudem möglich, mechanische Eigenschaften je nach Bewegungsanforderung online anzupassen. Die Einbindung von Antrieben erlaubt nun eine Zuführung von Energie. Es wird an Konzepten gearbeitet, um mit Hilfe biologisch inspirierter Aktuatoren die Gelenkbewegungen der Beine nachzuahmen. Mit Hilfe dieser Technologie können aktive Prothesen, aber auch Exoskelette und Exosuits zukünftig die Mobilität einer breiten Anwendergruppe verbessern.

Bio­lo­gie nachbilden

Einer der ältes­ten Berich­te über ein künst­li­ches Bein wur­de in einem sakra­len indi­schen Buch mit dem Namen „Rig­ve­da“ ent­deckt. Die­ses wur­de etwa zwi­schen 3.500 und 1.800 v. Chr. ver­fasst und beschreibt die Ver­sor­gung von Köni­gin Vish­p­la mit einem eiser­nen Bein 1. Seit die­ser Zeit haben sich der Auf­bau, das Mate­ri­al und die Funk­tio­na­li­tät pro­the­ti­scher Ver­sor­gun­gen der unte­ren Extre­mi­tät deut­lich ver­bes­sert. Eine wei­te Ver­brei­tung haben pas­si­ve Kom­po­nen­ten wie z. B. die soge­nann­ten SACH-Füße. Die­se Bezeich­nung wird von dem eng­li­schen Begriff „solid ankle, cushio­ned heel“ abge­lei­tet und bedeu­tet, dass ein stei­fer, meist aus Holz bestehen­der Kern mit einer aus Gum­mi bestehen­den Hül­le kom­bi­niert wird. Die wei­che­re Hül­le ist in der Lage, ähn­lich dem Fer­sen­pols­ter, Stö­ße beim Auf­tre­ten zu dämp­fen. Ein nicht ver­steif­ter Vor­fuß ermög­licht ein Abrol­len über einen Dreh­punkt, ver­gleich­bar mit dem Zehengrundgelenk.

Zuneh­mend wer­den wei­te­re bio­lo­gi­sche Wirk­me­cha­nis­men durch tech­ni­sche Kom­po­nen­ten imi­tiert. Die Ver­wen­dung von Koh­len­stoff­fa­sern in Pro­the­sen­fü­ßen ermög­licht eine Unter­stüt­zung im Gang durch einen elas­ti­schen Rück­stoß, ver­gleich­bar einer Achil­les­seh­ne. Durch die Aus­nut­zung die­ses Wir­kungs­prin­zips kön­nen ampu­tier­te Spit­zen­sport­ler ähn­lich schnell ren­nen und weit sprin­gen wie Nicht­am­pu­tier­te 2. Dämp­fer in Pro­the­sen­knie­ge­len­ken ermög­li­chen die Abbil­dung exzen­tri­scher („unter Last kon­trol­liert nach­ge­ben­der“) Mus­kel­ar­beit, ins­be­son­de­re in der Schwung­pha­se im Gang. Beim Vor­schwung des Bei­nes wird der Unter­schen­kel abge­bremst, um einen har­ten Anschlag im Knie zu ver­mei­den. Kupp­lungs­me­cha­nis­men blo­ckie­ren Pro­the­sen­knie­ge­len­ke im Stand und ver­mei­den damit ein Kol­la­bie­ren unter Belas­tung. Die­se Funk­ti­on ist ver­gleich­bar mit iso­me­tri­scher („unter Last die Posi­ti­on hal­ten­der“) Mus­kel­ar­beits­wei­se. Durch das Umschal­ten zwi­schen der Dämp­fung in der Schwung­pha­se und der Blo­cka­de in der Stand­pha­se wird ein flüs­si­ger Gang ermöglicht.

Zusätz­lich zu rein pas­si­ven Pro­the­sen­kom­po­nen­ten (ohne Elek­tro­nik) wur­den kurz vor der Jahr­tau­send­wen­de ers­te soge­nann­te semi­ak­ti­ve Pro­the­sen ein­ge­führt. Die­se sind com­pu­ter­ge­steu­ert und besit­zen Sen­so­ren zur Erfas­sung des Gan­ges. Semi­ak­ti­ve Knie­ge­len­ke wie das C‑Leg der Fir­ma Otto Bock erlau­ben eine Varia­ti­on der Knie­dämp­fung und pas­sen ihre Sys­tem­ei­gen­schaf­ten den Anfor­de­run­gen an. Unter Zuhil­fe­nah­me der ein­ge­bau­ten Kraft- oder Iner­ti­al­sen­so­ren kann die Bewe­gungs­ab­sicht iden­ti­fi­ziert wer­den. So wird eine Anpas­sung der Dämp­fung an ver­schie­de­ne Geh­ge­schwin­dig­kei­ten, an Stei­gun­gen oder Trep­pen mög­lich. Zudem kann die Sen­so­rik unvor­her­ge­se­he­ne Situa­tio­nen erken­nen und damit die Sicher­heit im All­tag erhö­hen 3. All die­se Ent­wick­lun­gen haben das Gang­bild der Ampu­tier­ten näher an das natür­li­che Gang­bild her­an­ge­führt. Jedoch war kei­nes der Sys­te­me in der Lage, kon­zen­tri­sche Mus­kel­ar­beit abzu­bil­den. Die­ses Wir­kungs­prin­zip ist fun­da­men­tal für den mensch­li­chen All­tag. Es beschreibt die Ver­kür­zung des Mus­kels zur Beu­gung oder Stre­ckung eines Gelenks, wie zum Bei­spiel beim Anhe­ben eines Gegen­stan­des (Arm­beu­ge­mus­ku­la­tur) oder beim Auf­ste­hen von einem Stuhl (Knie­stre­cker­mus­ku­la­tur).

Durch die kon­zen­tri­sche Mus­kel­ar­beit wird dem Kör­per Ener­gie für die ange­streb­te Bewe­gung zuge­führt. Im Gang wird die­se am Sprung­ge­lenk und an der Hüf­te benö­tigt, um den Kör­per in Bewe­gung zu ver­set­zen und Ener­gie­ver­lus­te aus­zu­glei­chen. Zum Stei­gen von Trep­pen und zum Bege­hen von Stei­gun­gen muss nicht nur das Sprung­ge­lenk, son­dern auch das Knie­ge­lenk Ener­gie zum Anhe­ben des eige­nen Kör­pers zufüh­ren. Zur Umset­zung die­ser Funk­tio­na­li­tät ist ein Antrieb nötig, der einen Ener­gie­ein­trag ermög­licht und damit die kon­zen­tri­sche Funk­ti­ons­wei­se von Mus­kel­fa­sern nach­bil­den kann. Als Antriebs­me­cha­nis­mus könn­ten pneu­ma­ti­sche Sys­te­me, die mit Luft­druck, oder hydrau­li­sche Sys­te­me, die mit Flüs­sig­keits­druck arbei­ten, ein­ge­setzt wer­den. Durch ver­ein­fach­te Bedin­gun­gen hin­sicht­lich der Rege­lung, des Gewichts und auch aus Platz­grün­den haben sich aller­dings bat­te­rie­be­trie­be­ne Elek­tro­mo­to­ren als Antriebs­kon­zept durchgesetzt.

Moto­ren in der Beinprothetik

Bereits in den 80er Jah­ren wur­de ein ers­ter motor­ge­trie­be­ner For­schungs­pro­to­typ, das soge­nann­te Bel­grad-Knie, ent­wi­ckelt. Zu die­ser Zeit waren die Sys­tem­bau­tei­le zur Strom­ver­sor­gung und die Com­pu­ter zur Steue­rung noch zu groß und wur­den des­halb neben dem Pro­to­typ auf­ge­baut 4. Ein ers­tes mobi­les Sys­tem war der „Proprio“-Fuß der islän­di­schen Fir­ma Össur. Die­ser hat einen klei­nen inte­grier­ten Elek­tro­mo­tor, der das Anhe­ben der Fuß­spit­ze im Vor­schwung des Bei­nes ermög­licht. Auf­grund begrenz­ter Motor­leis­tung ermög­licht die­ses Sys­tem jedoch kei­nen akti­ven Fuß­ab­druck vom Boden, wie er durch die Waden­mus­ku­la­tur bei einem Nicht­am­pu­tier­ten mög­lich ist.

Ein wei­te­res akti­ves Pro­the­sen­sys­tem wur­de 2006 eben­falls durch die Fir­ma Össur ein­ge­führt: Das „Power Knee“ ist die ers­te akti­ve Pro­the­se, die den All­tag von Ober­schen­kel­am­pu­tier­ten ver­ein­fa­chen soll. Ein Unter­stüt­zungs­mo­dus für das Auf­ste­hen, das Trep­pen­stei­gen und auch für den ebe­nen Gang wur­de in des­sen Steue­rung inte­griert. Bis jetzt hat die­ses Sys­tem jedoch noch kei­ne wei­te Ver­brei­tung. Grün­de dafür kön­nen die Kos­ten in Höhe von meh­re­ren zehn­tau­send Euro, aber auch Kri­te­ri­en wie das Pro­the­sen­ge­wicht, die Bat­te­rie­lauf­zeit oder die Funk­ti­ons­wei­se sein. Häu­fig ver­brei­te­te Sturz­angst 5 kann zudem die Anwen­der dazu bewe­gen, bei ihren gewohn­ten Sys­te­men zu verbleiben.

Seit Anfang die­ses Jahr­tau­sends gibt es beson­ders in den USA ver­schie­de­ne Ent­wick­lun­gen im Bereich der motor­ge­trie­be­nen Bein­pro­the­tik. Ein Haupt­pro­blem bei der Umset­zung ist die aktu­el­le Moto­ren­tech­no­lo­gie: Es gibt der­zeit kei­nen Elek­tro­mo­tor, der ver­gleich­bar schnell beschleu­nigt und dabei genau­so viel Kraft auf­brin­gen kann wie die mensch­li­che Waden­mus­ku­la­tur. Ent­spre­chend müs­sen alter­na­ti­ve Lösungs­we­ge zum direk­ten Antrieb mit Motor (Abb. 1a) gefun­den wer­den. Dabei las­sen sich die Wis­sen­schaft­ler und Inge­nieu­re von bio­lo­gi­schen Prin­zi­pi­en inspi­rie­ren: Die bio­lo­gi­schen Antrie­be, unse­re Mus­keln, grei­fen auf elas­ti­sche Struk­tu­ren zurück, um die Anfor­de­run­gen an die Mus­kel­fa­sern zu redu­zie­ren. Zum Bei­spiel trägt am Sprung­ge­lenk die Achil­les­seh­ne zur deut­li­chen Erhö­hung der Spit­zen­leis­tung der Mus­kel­fa­sern bei 6. Die Leis­tung ist dabei das Maß, das den Zusam­men­hang von auf­ge­brach­ter Mus­kel­kraft und damit ein­her­ge­hen­der Bewe­gungs­ge­schwin­dig­keit beschreibt. Eine Leis­tungs­stei­ge­rung durch einen Feder­me­cha­nis­mus, ver­gleich­bar mit der Achil­les­seh­ne, wäre auch für einen tech­ni­schen Auf­bau vor­stell­bar (Abb. 2).

Für eine Über­tra­gung des Wir­kungs­prin­zips muss die Anord­nung von Elek­tro­mo­tor und Feder eva­lu­iert wer­den. Hier hat sich in Com­pu­ter­si­mu­la­tio­nen her­aus­ge­stellt, dass eine seri­el­le Anord­nung bei­der Ele­men­te sowohl die Spit­zen­leis­tung als auch den Ener­gie­ver­brauch eines Elek­tro­mo­tors deut­lich redu­zie­ren kann (Abb. 1b). Im Ver­gleich dazu kön­nen bei einer par­al­le­len Anord­nung (Abb. 1c) von Motor und Feder wei­te­re Reduk­tio­nen der Spit­zen­leis­tung erzielt wer­den; aller­dings wird der Ener­gie­ver­brauch dabei deut­lich weni­ger redu­ziert. Eine Kom­bi­na­ti­on von Federn in Serie und par­al­lel zum Motor (Abb. 1d) wür­de die Vor­tei­le und auch Nach­tei­le bei­der Kon­fi­gu­ra­tio­nen ver­ei­nen 7. Um die Nach­tei­le der par­al­le­len Feder für bestimm­te Bewe­gun­gen zu ver­rin­gern, kann die­se auch uni­di­rek­tio­nal ange­ord­net wer­den (Abb. 1e u. f). Das bedeu­tet, dass die Feder erst ab einem gewis­sen Win­kel, z. B. dem Sprung­ge­lenks­win­kel im Stand, unter Last gesetzt wird. Wei­te­re mög­li­che Anord­nun­gen und Kom­bi­na­tio­nen kön­nen eben­so Dämp­fer oder auch Kupp­lun­gen zur Blo­cka­de des Gelen­kes mit ein­bin­den. Mit zuneh­men­der Kom­ple­xi­tät der tech­ni­schen Lösung neh­men aller­dings in den meis­ten Fäl­len das Gewicht und der Bau­raum für den akti­ven Pro­the­sen­fuß zu.

In Com­pu­ter­si­mu­la­tio­nen wur­de berech­net, dass je nach Gang­art (Gehen oder Ren­nen) und Fort­be­we­gungs­ge­schwin­dig­keit unter­schied­li­che Stei­fig­kei­ten erfor­der­lich wären, um größt­mög­li­che Ein­spa­run­gen für den Motor zu erhal­ten 8. Dies spricht für einen Mecha­nis­mus, der ver­gleich­bar mit der Bio­lo­gie sei­ne Stei­fig­keit ein­stel­len kann. Nach­tei­lig wären hier wie­der­um der zusätz­li­che Bau­raum und das Gewicht für solch einen Auf­bau. Daher wer­den aktu­ell die akti­ven Sys­te­me für die häu­figs­te Bewe­gungs­form, das ebe­ne Gehen mit mitt­le­rer Geschwin­dig­keit, opti­miert. Ins­be­son­de­re nicht­va­ria­ble Grö­ßen wie die Feder­stei­fig­keit, die Dämp­fung oder der Aus­lö­se­win­kel der uni­di­rek­tio­na­len Federn brin­gen dadurch oft ener­ge­ti­sche Nach­tei­le für ande­re Bewe­gungs­for­men oder Geschwin­dig­kei­ten mit sich. Funk­tio­nal kann aber durch die geschick­te Anord­nung von Feder und Elek­tro­mo­tor sowohl die Kraft als auch die damit ver­bun­de­ne Ver­kür­zungs­ge­schwin­dig­keit der Waden­mus­ku­la­tur mit aktu­ell erhält­li­cher Tech­no­lo­gie nach­emp­fun­den werden.

Auf­bau­end auf die­sen Prin­zi­pi­en wur­de 2007 an der Ari­zo­na Sta­te Uni­ver­si­ty in den USA der „Sparky“-Fuß ent­wi­ckelt. In der Fol­ge wur­de der Pro­to­typ durch die Fir­ma Spring­Ac­ti­ve wei­ter­ent­wi­ckelt. Der „Odyssey“-Fuß (Abb. 3), der „Walk-Run“-Fuß (Abb. 4) und eine Kom­bi­na­ti­on bei­der Sys­te­me (Abb. 5) sind die jüngs­ten Ent­wick­lungs­schrit­te. Der „Walk-Run“-Fuß ist ein Pro­to­typ zur Erfor­schung erwei­ter­ter Anfor­de­run­gen wie zum Bei­spiel des motor­ge­trie­be­nen Ren­nens 9. Durch eine umfas­sen­de­re Sen­so­rik bie­tet er mehr Mög­lich­kei­ten bei der Gestal­tung von Steue­rungs­al­go­rith­men. Eine Kom­bi­na­ti­on aus den Stär­ken aller drei Pro­to­ty­pen soll mit Hil­fe der Fir­ma Össur den Weg zum Anwen­der fin­den. Ver­gleich­ba­re Sys­te­me wer­den in einer Koope­ra­ti­on der Van­der­bilt Uni­ver­si­ty mit der Fir­ma Free­dom Inno­va­tions 10, dem Mas­sa­chu­setts Insti­tu­te of Tech­no­lo­gy (MIT) und der Fir­ma Bio­nX Medi­cal Tech­no­lo­gies ent­wi­ckelt 11. Der ers­te für den Anwen­der erhält­li­che Pro­the­sen­fuß mit akti­vem Abdruck vom Boden wur­de 2014 von der ame­ri­ka­ni­schen Fir­ma Bio­nX am Markt ein­ge­führt und wird aktu­ell über Otto Bock in Deutsch­land unter dem Namen „BiOM“ ver­trie­ben. Mit dem „emPOWER“-Fuß (Abb. 6) wird aktu­ell auf ein deut­lich kom­pak­te­res Nach­fol­ge­mo­dell umgestellt.

Pro­the­sen­steue­rung

Neben dem mecha­ni­schen Kon­zept einer akti­ven Bein­pro­the­se ist die Steue­rung ein wich­ti­ges Merk­mal, das die Funk­ti­on defi­niert. Drei grund­le­gen­de Ebe­nen müs­sen durch die ein­ge­bau­te Sen­so­rik erkannt werden:

  1. Bewe­gungs­ab­sicht erken­nen: Das Pro­the­sen­sys­tem muss die Absicht des Nut­zers erken­nen. Eine Unter­schei­dung von z. B. Sit­zen, Ste­hen, Gehen oder Ren­nen muss durch die Steue­rung vor­ge­nom­men wer­den. Aber auch Stei­gun­gen oder Trep­pen müs­sen erkannt wer­den, um den Elek­tro­mo­tor ent­spre­chend der gefor­der­ten Bewe­gung anzusteuern.
  2. Geschwin­dig­keit oder Nei­gung erken­nen: Neben der Bewe­gungs­ab­sicht muss auch die gewünsch­te Bewe­gungs­ge­schwin­dig­keit detek­tiert wer­den. Dies beinhal­tet sowohl das Beschleu­ni­gen als auch das Abbrem­sen mit der Pro­the­se. Eine Erken­nung der Nei­gung von Trep­pen oder Ebe­nen ist für eine opti­ma­le Bewe­gungs­un­ter­stüt­zung im All­tag notwendig.
  3. Bewe­gungs­pha­se erfas­sen: Wenn die Bewe­gungs­ab­sicht und die Bewe­gungs­ge­schwin­dig­keit durch die Sen­so­ren erkannt wur­den, muss noch die Bewe­gungs­pha­se erfasst wer­den. Durch eine Erken­nung der Pha­sen kann der Elek­tro­mo­tor das künst­li­che Gelenk ent­spre­chend der gewünsch­ten Anfor­de­rung beu­gen oder stre­cken. Neben die­sem mehr­stu­fi­gen Erken­nungs­prin­zip gibt es auch ver­schie­de­ne Ansät­ze, die ver­su­chen, die Steue­rung all­ge­mein­gül­tig und unab­hän­gig von der Umge­bung und der Bewe­gungs­ab­sicht auf­zu­bau­en. In einem den mensch­li­chen Refle­xen nach­emp­fun­de­nen Ansatz („BiOM“-Fuß) wer­den, ver­gleich­bar mit den bio­lo­gi­schen Sen­so­ren der Mus­kel­spin­deln oder des Gol­gi-Seh­nen­or­gans, Kraft und Län­gen­wer­te über Sen­so­ren erfasst und die­se über Model­le in eine Motor­po­si­ti­on umge­rech­net 12.

Ers­te Erfahrungen

Ers­te Stu­di­en haben gezeigt, dass ein Gehen mit akti­vem Pro­the­sen­fuß weni­ger anstren­gend ist als mit einem pas­si­ven Sys­tem 13. Die Wir­kung ist ver­gleich­bar mit einem Elek­tro­fahr­rad, das den Rad­fah­rer in sei­ner Tret­be­we­gung elek­trisch unter­stützt. Durch die ener­ge­ti­sche Unter­stüt­zung erhöht sich zudem die Gang­ge­schwin­dig­keit der Trä­ger 14. Anwen­der zei­gen eine höhe­re Nut­zer­zu­frie­den­heit als mit pas­si­ven Car­bon­fü­ßen. Aller­dings scheint noch Poten­zi­al für wei­te­re Ent­wick­lungs­schrit­te vor­han­den zu sein: Tests mit Unter­schen­kel­am­pu­tier­ten haben gezeigt, dass bestehen­de Asym­me­trien im Gang­mus­ter zwar redu­ziert, aber nicht auf das Niveau einer nicht­am­pu­tier­ten Ver­gleichs­grup­pe gebracht wer­den kön­nen 15. Dies kann ver­schie­de­ne Ursa­chen haben: Einer­seits wird ver­mu­tet, dass bestehen­de feh­ler­haf­te Bewe­gungs­mus­ter nur schwer ver­lernt wer­den kön­nen. Ande­rer­seits wur­den auch noch nicht alle bio­lo­gi­schen Wirk­prin­zi­pi­en in dem Sys­tem umge­setzt. Aktu­ell wer­den die akti­ven Pro­the­sen­fü­ße durch einen Motor am Sprung­ge­lenk bewegt. In der Bio­lo­gie gibt es Mus­keln, die über meh­re­re Gelen­ke zie­hen. Dadurch wird die Bewe­gung der Hüf­te, des Knies und des Sprung­ge­lenks mit­ein­an­der ver­kop­pelt. Dies kann Vor­tei­le für die Bewe­gungs­kon­trol­le und die Ener­gie­be­reit­stel­lung mit sich brin­gen. Die­ser Ansatz muss in den nächs­ten Jah­ren auf sein Poten­zi­al zur Ver­bes­se­rung des Gang­bil­des unter­sucht werden.

Wei­ter­füh­ren­de Entwicklungen

Nach­dem die ers­ten tech­ni­schen Lösun­gen für moto­ri­sier­te pro­the­ti­sche Sprung­ge­len­ke erfolg­reich getes­tet wur­den, gilt es nun wei­ter an der Nut­zer­freund­lich­keit zu arbei­ten. Ers­te was­ser­dich­te Pro­to­ty­pen wer­den ent­wi­ckelt, um einen Aus­fall bei Feuch­tig­keit zu ver­mei­den. Zudem ver­sucht man, die Geräusch­emis­si­on der Moto­ren und aller wei­te­ren mecha­ni­schen Kom­po­nen­ten zu redu­zie­ren. Dies kann einer­seits durch effi­zi­en­te­re Bau­tei­le oder Däm­mung des Gehäu­ses rea­li­siert wer­den. Ande­rer­seits haben auch ers­te Stu­di­en ein erheb­li­ches Poten­zi­al auf Sei­ten der Motor­an­steue­rung gezeigt 16. Aller­dings ist davon aus­zu­ge­hen, dass die akti­ven Sys­te­me nie voll­stän­dig geräusch­frei sein wer­den. Nut­zer dür­fen daher kei­ne Aver­si­on gegen­über den Sys­tem­ge­räu­schen haben. Ein Geräusch­de­sign zur posi­ti­ve­ren Wahr­neh­mung wie bei Kraft­fahr­zeu­gen ist denk­bar. Zudem wer­den Mit­men­schen die Pro­the­sen­ge­räu­sche zum Teil wahr­neh­men kön­nen. Dies bedarf einer auf­ge­schlos­se­nen Hal­tung der Nut­zer in Bezug auf die öffent­li­che Kennt­nis­nah­me der Ampu­ta­ti­on. Es wird inter­es­sant sein, wie sich die Inklu­si­on die­ser bio­ni­schen Kon­zep­te im Lebens­all­tag und das damit ver­bun­de­ne Selbst­ver­ständ­nis sowohl auf Sei­ten der Nut­zer als auch auf Sei­ten der Mit­men­schen ent­wi­ckelt. Öffent­li­che Ver­an­stal­tun­gen wie der 2016 in Zürich aus­ge­tra­ge­ne „Cyb­ath­lon“ (www.cybathlon. ethz.ch) kön­nen dazu bei­tra­gen, die­sen Pro­zess anzuregen.

Der Ener­gie­ver­brauch ist ein wei­te­rer Punkt, den es zu ver­bes­sern gilt. Ein Erwach­se­ner legt im All­tag täg­lich etwa 6.500 Schrit­te zurück 17. Das sind 3.250 Schrit­te pro Bein. Der „Walk-Run“-Fuß wür­de für die­se Distanz beim Gehen mit 4 km/h eine Bat­te­rie mit einem Gewicht von etwa 300 Gramm benö­ti­gen. Stei­gun­gen, Trep­pen oder auch höhe­re Geschwin­dig­kei­ten kön­nen die­sen Wert deut­lich her­auf­set­zen. Bei einer Unter­schen­kel­am­pu­ta­ti­on auf etwa 0,3 m Höhe fehlt einer 80 kg schwe­ren und 1,75 m gro­ßen Per­son etwa 2,8 kg an Bein­mas­se. Eine akti­ve Pro­the­se wiegt etwa 2 kg. In Kom­bi­na­ti­on mit Bat­te­rie (0,3 kg), Adap­tern, Schaft und Liner (etwa 1,2 kg) wird damit das Gewicht des ampu­tier­ten Bein­an­teils über­schrit­ten. Es gilt Ansät­ze zu fin­den, um das Gewicht aller für die Ver­sor­gung benö­tig­ten Kom­po­nen­ten wei­ter zu redu­zie­ren und damit einen höhe­ren Tra­ge­kom­fort zu gewährleisten.

Ver­gleich­bar mit Nicht­am­pu­tier­ten gibt es indi­vi­du­el­le Unter­schie­de beim Gang von Ampu­tier­ten. Eine indi­vi­dua­li­sier­te Steue­rung im Gang­zy­klus könn­te eine wei­te­re Ver­bes­se­rung des Bewe­gungs­ver­hal­tens der Nut­zer mit sich brin­gen. Zukünf­tig sol­len Schnitt­stel­len zwi­schen dem mensch­li­chen Gehirn und den Pro­the­sen hel­fen, die Steue­rung noch intui­ti­ver zu gestal­ten. Ers­te Schrit­te in die­se Rich­tung wer­den über das Abgrei­fen elek­tro­myo­gra­fi­scher Signa­le unter­nom­men 18. Die­se sind für die Akti­vie­rung unse­rer Mus­ku­la­tur ver­ant­wort­lich und kön­nen über Elek­tro­den auf oder auch unter der Haut erfasst wer­den. Im Bereich der Arm- und Hand­pro­the­tik sind bereits ers­te myo­elek­trisch gesteu­er­te Sys­te­me auf dem Markt. Die Signa­le kön­nen dabei zum Öff­nen und Schlie­ßen der Hand sowie zum Dre­hen des Hand­ge­lenks genutzt wer­den. Ein Umschal­ten zwi­schen ver­schie­de­nen Griff­ar­ten ist mög­lich 19.

Im Ver­gleich zu pas­si­ven Pro­the­sen kön­nen akti­ve Sys­te­me deut­lich mehr Funk­tio­nen bie­ten. Da die Kom­ple­xi­tät hin­sicht­lich der Hard­ware­be­stand­tei­le und der Bewe­gungs­kon­trol­le aus­ge­hend von pas­si­ven über die semi­ak­ti­ven bis hin zu den akti­ven Pro­the­sen immer wei­ter zuge­nom­men hat, ist es frag­lich, inwie­weit eini­ge Nut­zer im Umgang über­for­dert wer­den kön­nen. Da Sturz­ver­mei­dung im All­tag von höchs­ter Rele­vanz ist, kann durch­aus ein ein­fa­ches Bedie­nungs­kon­zept Vor­rang gegen­über mehr Funk­tio­nen haben. Ein­fa­che pas­si­ve Kon­zep­te sind zudem güns­ti­ger, benö­ti­gen meist weni­ger War­tung und kei­ner­lei Strom­quel­len, was die Auto­no­mie för­dert. Ins­be­son­de­re für älte­re Nut­zer könn­te die Viel­falt der Mög­lich­kei­ten für den Umgang im All­tag pro­ble­ma­tisch sein. Auf­grund der alters­be­ding­ten Abnah­me der kör­per­li­chen Leis­tungs­fä­hig­keit wür­den Älte­re jedoch am stärks­ten von der ener­ge­ti­schen Unter­stüt­zung pro­fi­tie­ren. Um die­sen Kon­flikt auf­zu­lö­sen, könn­ten Funk­tio­na­li­tä­ten stu­fen­ar­tig im Lern­pro­zess frei­ge­schal­tet werden.

Aktu­ell steckt die akti­ve Pro­the­tik noch in den Kin­der­schu­hen. Grund­la­gen sind gelegt, vie­le Eigen­schaf­ten kön­nen noch ver­bes­sert wer­den. Wie in den ers­ten Abschnit­ten beschrie­ben, sind aktu­ell erst drei akti­ve Sys­te­me, zwei Füße und ein Knie für den Anwen­der erhält­lich. Und auch wenn der Ver­gleich etwas weit her­ge­holt erscheint: Ers­te Auto­mo­bi­le fuh­ren auch nicht unbe­dingt schnel­ler als Pfer­de­kut­schen. Je nach Anfor­de­rungs­pro­fil konn­ten die­se aber durch­aus Vor­tei­le im All­tag bieten.

Moto­ren für jedermann

Seit eini­gen Jah­ren gibt es ers­te Ent­wick­lun­gen, um bio­ni­sche Bein­kon­zep­te auch für ande­re Anwen­der­grup­pen nutz­bar zu machen. Aktu­ell wer­den Lauf­sys­te­me, soge­nann­te Exo­ske­let­te, für die Gangre­ha­bi­li­ta­ti­on von Quer­schnitt­ge­lähm­ten oder Schlag­an­fall­pa­ti­en­ten ein­ge­setzt. Die­se moto­ri sier­ten Stütz­sys­te­me sind par­al­lel zum Bein ange­bracht und wer­den durch ver­gleich­ba­re Prin­zi­pi­en wie in der akti­ven Pro­the­tik gesteu­ert. Bei­spie­le hier­für sind das „Ekso“-System der Fir­ma Ekso­Bio­nics oder das „ReWalk“-System der Fir­ma Argo Medi­cal Tech­no­lo­gies. Die­se Sys­te­me wer­den aktu­ell pri­mär in Reha­bi­li­ta­ti­ons­ein­rich­tun­gen ein­ge­setzt. Zukünf­tig ist es vor­stell­bar, dass Exo­ske­let­te die Rol­le der Roll­stüh­le im All­tag, je nach Krank­heits­bild, teil­wei­se oder voll­stän­dig erset­zen. Ers­te Pilot­pro­jek­te zur Heim­an­wen­dung wer­den der­zei­tig durchgeführt.

Neben die­sen rela­tiv schwe­ren Sys­te­men gibt es noch einen zwei­ten Ent­wick­lungs­trend: Leich­te und por­ta­ble soge­nann­te Exo­suits (Abb. 7) ergän­zen ein­zel­ne Gelen­ke am Bein durch eine Aktua­to­rik. Dabei wer­den die Moto­ren in einer Art Gür­tel­ta­sche an der Hüf­te ange­bracht. Bow­den­zü­ge, ver­gleich­bar mit denen einer Fahr­rad­brem­se, über­tra­gen die Bewe­gung der Moto­ren auf die Gelen­ke. Durch die Ver­wen­dung von auf Tex­ti­li­en basie­ren­den Schnitt­stel­len mit dem Men­schen wird kein zusätz­li­ches schwe­res Stütz­sys­tem zur Füh­rung der Bewe­gung benö­tigt. Dies schränkt die Beweg­lich­keit im All­tag weni­ger ein. Zusätz­lich wird das Gewicht am Bein redu­ziert, was den Tra­ge­auf­wand für den Anwen­der her­ab­setzt. Exo­suits kön­nen zukünf­tig zur Reha­bi­li­ta­ti­on und auch zur all­täg­li­chen Unter­stüt­zung von Nut­zer­grup­pen mit Ein­schrän­kun­gen im Bereich der Atmung, der Mus­ku­la­tur oder des Herz-Kreis­lauf-Sys­tems ein­ge­setzt wer­den. Ein Ein­satz bei neu­ro­lo­gi­schen Stö­run­gen wie Läh­mun­gen ist denk­bar. Neben die­sen Pati­en­ten­grup­pen kön­nen sol­che Gangas­sis­tenz­sys­te­me auch die Mobi­li­tät von Senio­ren erhö­hen und damit die Selbst­stän­dig­keit die­ser Ziel­grup­pe för­dern. Wie bei einem Elek­tro­fahr­rad kann der Fort­be­we­gungs­auf­wand redu­ziert wer­den 20 Anwen­dun­gen für jün­ge­re Nut­zer sind im Frei­zeit­be­reich denkbar.

Mit den seit der Jahr­tau­send­wen­de ent­wi­ckel­ten bio­ni­schen Bein­kon­zep­ten wur­den weg­wei­sen­de Grund­la­gen für Gangas­sis­tenz­sys­te­me geschaf­fen, die zukünf­tig die Lebens­qua­li­tät einer brei­ten Anwen­der­grup­pe sowohl mit als auch ohne Ampu­ta­ti­on ver­bes­sern können.

Der Autor:
Dr. rer. nat. Mar­tin Grimmer
ETH Zürich
Sen­so­ry-Motor Sys­tems Lab
Tan­nen­stras­se 1
CH-8092 Zürich, Schweiz
martin.grimmer@hest.ethz.ch

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