Ent­wick­lung eines mobi­len Sen­sor­sys­tems für ortho­pä­di­sche Hilfsmittel

S. Matyssek, F. Capanni
Die Instrumentierung von Hilfsmitteln und die damit einhergehende Ausstattung einer orthopädischen Versorgung mit Sensorsystemen spielt in der praktischen Anwendung bisher eine eher untergeordnete Rolle. Die Möglichkeiten, die sich mit einem breit einsetzbaren, individualisierbaren und modular aufgebauten Messsystem ergeben, sind allerdings immens. In Kooperation zwischen dem Sanitätshaus Häussler und der Technischen Hochschule Ulm wurde ein funktionsfähiges Gesamtsystem entwickelt, das in vielfältiger Hinsicht die Versorgungsqualität verbessern kann. Das Hauptaugenmerk richtet sich dabei zum einen auf die messtechnische Erfassung der Druckverteilung zwischen Patient und Hilfsmittel und zum anderen auf die Interpretation von Verformungen individuell ausgelegter Passteile (beispielsweise Carbonfedern in Orthesen). Damit wird nicht nur die Druckverteilung objektiv bewertbar, sondern durch ein intelligentes Warnsystem auch ein höheres Maß an Sicherheit erzeugt.

Ein­lei­tung

Bei indi­vi­du­el­len Hilfs­mit­teln stellt sich wäh­rend der Anpas­sung und des all­täg­li­chen Gebrauchs oft die Fra­ge, ob die Pass­form der Kör­per­an­bin­dun­gen den Anfor­de­run­gen des Pati­en­ten – Auf­nah­me des Stumpf­vo­lu­mens, Ent­las­tung druck­emp­find­li­cher Regio­nen bei gleich­zei­ti­ger effi­zi­en­ter Kraft­über­tra­gung – gerecht wird. Die Inter­pre­ta­ti­on des Tech­ni­kers deckt sich hier­bei oft­mals nicht mit der sub­jek­ti­ven Wahr­neh­mung des Anwen­ders. Gera­de bei Dia­be­ti­kern mit aus­ge­bil­de­ter Neu­ro­pa­thie oder im Fal­le schlecht ein­seh­ba­rer Berei­che wie des dista­len Stump­fen­des einer Pro­the­sen­ver­sor­gung ist daher eine objek­ti­vier­ba­re Über­prü­fung der Druck­ver­tei­lung obli­ga­to­risch. Dar­über hin­aus neh­men die Mög­lich­kei­ten einer indi­vi­du­el­len Aus­le­gung (u. a. gewichts- und akti­vi­täts­ab­hän­gi­ge Fer­ti­gung) von Bau­grup­pen der Hilfs­mit­tel dadurch zu. Als Bei­spiel hier­für ist das im Mai 2018 in die­ser Fach­zeit­schrift vor­ge­stell­te Ver­fah­ren zur indi­vi­dua­li­sier­ten Aus­le­gung von Car­bon­fe­dern im Bereich Vor­fuß­pro­the­tik zu nen­nen 1. Bei allen Vor­tei­len, die eine indi­vi­dua­li­sier­te Pas­s­teil­aus­le­gung mit sich bringt, stellt die unkon­trol­lier­te Nut­zung im All­tag aller­dings ein Risi­ko dar: Wer­den die Hilfs­mit­tel wider bes­se­res Wis­sen durch den Pati­en­ten über­be­las­tet, kann eine Über­schrei­tung der zuläs­si­gen mecha­ni­schen Mate­ri­al­be­last­bar­keit zum Ver­sa­gen von Teil­ele­men­ten füh­ren. Mit Hil­fe von Sen­so­ren, die per­ma­nent die Win­kel­ver­än­de­rung der dyna­misch belas­te­ten Teil­ele­men­te des Hilfs­mit­tels mes­sen, kann eine zuver­läs­si­ge Über­wa­chung der maxi­mal zuläs­si­gen Ver­for­mung erfol­gen. Durch die per­ma­nen­te Erfas­sung und Inter­pre­ta­ti­on der bei­den Mess­wer­te (Druck­ver­tei­lung zwi­schen Hilfs­mit­tel und Anwen­der sowie Win­kel­ver­än­de­rung in den maß­geb­li­chen Ver­for­mungs­be­rei­chen) ist sowohl der Ortho­pä­die­tech­ni­ker als auch der Pati­ent selbst in der Lage, Unre­gel­mä­ßig­kei­ten bezüg­lich der Pass­form sowie der Sta­bi­li­tät sei­nes Hilfs­mit­tels zu erken­nen und früh­zei­tig Gegen­maß­nah­men zu ergreifen.

Anzei­ge

Pro­blem­stel­lung und Motivation

Bestehen­de Mess­sys­te­me haben den Nach­teil, dass ihre Sen­so­ren nur zeit­lich begrenzt ange­wen­det wer­den kön­nen 2 3. Dadurch bie­tet sich dem Tech­ni­ker zwar die Mög­lich­keit, die Sys­te­me für die Anpas­sung sowie die wei­te­re Anpro­be des Hilfs­mit­tels im Sani­täts­haus zu nut­zen – sobald der Pati­ent aller­dings das Haus ver­lässt, endet jed­we­de Mög­lich­keit der Kon­trol­le, Über­prü­fung und Ein­fluss­nah­me. Um die­sen Umstand zu ver­bes­sern, bedarf es eines Sen­sor­sys­tems, das bereits wäh­rend der Pro­duk­ti­on in das Hilfs­mit­tel inte­griert wer­den kann und anschlie­ßend wäh­rend der täg­li­chen Nut­zung die erfor­der­li­chen Mess­wer­te gene­riert. Die Sys­tem­an­for­de­run­gen wer­den wie folgt definiert:

  • Adap­ti­ons­mög­lich­keit des gesam­ten Sen­sor­sys­tems an ver­schie­de­ne Hilfsmitteltypen
  • Bereit­stel­lung eines Gesamt­sys­tems (Hard­ware und Soft­ware) zur Mes­sung von Druck­ver­tei­lun­gen sowie Ver­for­mung (Win­kel­ver­än­de­run­gen)
  • Daten­ge­ne­rie­rung und ‑ana­ly­se in Echtzeit
  • Spei­che­rung und Bereit­stel­lung der Daten für den Tech­ni­ker und für den Anwender
  • War­nung vor mög­li­cher Über­be­las­tung (Event)

Die Sen­so­ren ver­än­dern als sol­che weder die Eigen­schaf­ten des Hilfs­mit­tels noch des­sen Erschei­nungs­bild und ver­blei­ben auch nach der Fer­tig­stel­lung im Hilfsmittel.

Aus­wahl der Sensoren

Je nach Anwen­dungs­feld kön­nen unter­schied­lichs­te „for­ce-sen­sing resis­tors“ (FSR-Sen­so­ren) in das Hilfs­mit­tel inte­griert wer­den. Wegen der mög­li­chen Indi­vi­dua­li­sier­bar­keit der Sen­sor­struk­tur sowie einer kos­ten­güns­ti­gen Her­stel­lung kamen tex­ti­le Druck­sen­so­ren mit pie­zo­elek­tri­scher Wirk­wei­se zum Ein­satz. Zur Mes­sung der Ver­for­mung (Win­kel­ver­än­de­rung) von z. B. Car­bon­fe­dern wur­de auf Stan­dard-Flex-Sen­so­ren zurück­ge­grif­fen 4

Erfas­sen der Druckverteilung

Der Auf­bau eines druck­sen­si­ti­ven Sen­sors auf tex­ti­ler Basis lässt sich anhand von Abbil­dung 1 ver­an­schau­li­chen. Auf­grund des rela­tiv ein­fa­chen Auf­baus kön­nen mit über­schau­ba­rem Auf­wand Ver­fah­ren zur eige­nen Her­stel­lung indi­vi­du­el­ler Sen­sor­geo­me­trien ent­wi­ckelt wer­den. In die­sem Zusam­men­hang bie­tet sich das Sieb­druck­ver­fah­ren zur Erstel­lung der lei­ten­den Flä­chen sowie deren Lei­ter­bah­nen an. Auf der Basis eines sieb­druck­fä­hi­gen Sil­ber­lacks ent­steht eine kos­ten­güns­ti­ge und indi­vi­du­ell anpass­ba­re Mög­lich­keit zur Erstel­lung druck­sen­si­ti­ver Sen­so­ren auf tex­ti­ler Basis (Abb. 2). Mess­tech­nisch wird der elek­tri­sche Wider­stand der pie­zo­re­sis­ti­ven Zwi­schen­schicht erfasst, des­sen Wert mit stei­gen­dem Flä­chen­druck sinkt.

Erfas­sen der Winkelveränderung

Zur mess­tech­ni­schen Erfas­sung einer Ver­for­mung bie­tet sich – opti­sche Ver­fah­ren aus­ge­nom­men – die Mög­lich­keit, klas­si­sche Deh­nungs­mess­strei­fen­sen­so­ren (DMS), kapa­zi­ti­ve Sen­so­ren oder Flex-Sen­so­ren zu ver­wen­den. Auf­grund der gerin­gen phy­si­schen Emp­find­lich­keit, des gerin­gen Prei­ses sowie eines aus­rei­chen­den Mess­be­rei­ches wird an die­ser Stel­le auf den Ein­satz kon­ven­tio­nel­ler Flex-Sen­so­ren gesetzt (Abb. 3).

Hard- und Softwareentwicklung

Die Sen­so­ren als sol­che stel­len noch kein funk­ti­ons­fä­hi­ges Mess­sys­tem dar und müs­sen über eine ent­spre­chen­de elek­tro­ni­sche Schal­tung und unter Ver­wen­dung eines Mikro­con­trol­lers ange­steu­ert wer­den (Abb. 4 u. 5). Damit bie­tet sich die Mög­lich­keit, bis zu 4 Sen­sor­ar­rays (zu je 4 Mess­flä­chen) und 2 Flex-Sen­so­ren par­al­lel aus­zu­le­sen. Dar­über hin­aus wur­den fol­gen­de Funk­ti­ons­ein­hei­ten auf der Pla­ti­ne vor­ge­se­hen (Num­me­rie­rung wie in Abb. 4):

  1. Mikro­con­trol­ler
  2. Ver­stär­ker­schal­tun­gen mit Poten­tio­me­tern für die Fein­ab­stim­mung der Emp­find­lich­keit von Druck­sen­so­ren und Flex-Sensoren
  3. Anschluss für einen akus­ti­schen Signal­ge­ber für eine schnel­le, hör­ba­re Rückmeldung
  4. Anschluss für ein Vibra­ti­ons­ele­ment für eine tak­ti­le Rückmeldung
  5. Aus­wahl und Ansteue­rung der Sen­so­ren über Multiplexer
  6. Anschluss für eine Blue­tooth-Schnitt­stel­le zur draht­lo­sen Daten­über­mitt­lung an ein Endgerät
  7. Lade­re­ge­lung für den inte­grier­ten Lithium-Ionen-Akku
  8. SD-Kar­te zur Spei­che­rung eines Events

Die Ein­zel­kom­po­nen­ten des Sys­tems kön­nen nun belie­big zusam­men­ge­stellt wer­den (Num­me­rie­rung wie in Abb. 5):

  1. Flex-Sen­so­ren zur Erfas­sung der Ver­for­mung in den fle­xi­blen Berei­chen des Hilfsmittels
  2. indi­vi­du­ell zusam­men­ge­stell­te Druck­mess­sen­so­ren zur Erfas­sung der rela­ti­ven Druck­ver­tei­lung in kri­ti­schen Anlagebereichen
  3. Ver­tei­ler­schal­tung der Sensorverkabelung
  4. Haupt­pla­ti­ne zur Ver­ar­bei­tung der Messsignale

Zur Inbe­trieb­nah­me des Sys­tems, zur Mess­wert­in­ter­pre­ta­ti­on sowie zur Visua­li­sie­rung wur­de im Zuge des Pro­to­ty­pen­baus mit der Soft­ware ­„Lab­VIEW“ gear­bei­tet (Front­pa­nel Abb. 6). Der Anwen­der der Soft­ware wird zu Beginn auf­ge­for­dert, die rele­van­ten Pati­en­ten­da­ten wie Gewicht oder Akti­vi­tät sowie die zuge­las­se­nen Maxi­mal­ver­for­mun­gen des Hilfs­mit­tels ein­zu­ge­ben. Im Anschluss erfolgt unter Anlei­tung die Kali­brie­rung des Sys­tems durch den Tech­ni­ker. Im Dau­er­be­trieb wer­den über die Blue­tooth-Schnitt­stel­le kon­ti­nu­ier­lich Mess­da­ten der im Hilfs­mit­tel ver­bau­ten Sen­so­ren emp­fan­gen. Die Ver­for­mung wird in Form von Win­kel­an­zei­gern dar­ge­stellt (Abb. 6, Nr. 1) und die rela­ti­ve Druck­ver­tei­lung über Farb­fel­der visua­li­siert (Abb. 6, Nr. 3). Sobald ein Event ver­zeich­net wird, leuch­ten Warn­lam­pen auf (Abb. 6, Nr. 2).

Inte­gra­ti­ons­mög­lich­kei­ten des Sen­sor­sys­tems in ein ortho­pä­di­sches Hilfsmittel

In Pro­the­sen­pols­te­run­gen kön­nen fle­xi­ble Arrays aus tex­ti­len Druck­sen­so­ren zwi­schen die Softso­cket­schich­ten ein­ge­bracht und mit­tels kon­ven­tio­nel­ler Kle­be­tech­ni­ken fest inte­griert wer­den (Abb. 7). Um die Mess­wert­dämp­fung durch den Softso­cket so gering wie mög­lich zu hal­ten, weist die ers­te Pols­ter­schicht ledig­lich eine Stär­ke von 1 mm auf. Durch einen Null­ab­gleich wäh­rend der Sen­sor­ka­li­brie­rung mit Hil­fe der Soft­ware wird jede Sen­sor­flä­che – unab­hän­gig von ihrer indi­vi­du­el­len Krüm­mung auf der Hilfs­mit­tel­ober­flä­che – in den glei­chen Aus­gangs­zu­stand ver­setzt. Dadurch gelingt eine rela­ti­ve Mes­sung der Druck­wer­te zueinander.

Eine wei­te­re Inte­gra­ti­ons­mög­lich­keit stellt das klas­si­sche Tief­zie­hen dar, z. B. bei der Erstel­lung von Test­schäf­ten. Die indi­vi­du­ell erstell­ten tex­ti­len Druck­sen­so­ren kön­nen mit einer spe­zi­el­len TPU-Folie ein­ge­schweißt, auf die Kör­per­mo­dell­ober­flä­che auf­ge­legt und wäh­rend des Tief­zieh­ver­fah­rens mit dem Kunst­stoff (z. B. PETG) ver­bun­den wer­den. Dadurch sind die Sen­so­ren fest im Hilfs­mit­tel ver­an­kert und her­vor­ra­gend gegen­über äuße­ren Ein­flüs­sen iso­liert. Als mög­li­ches Anwen­dungs­feld lässt sich die dista­le Stumpf­druck­mes­sung (Abb. 8) nen­nen, die vor allem bei trans­ti­bia­len sowie trans­fe­mo­ra­len Ampu­ta­tio­nen eine objek­ti­ve Bewer­tung des Stump­fendkon­tak­tes ermög­licht. Der elek­tri­sche Steck­ver­bin­der zum Anschluss des Sys­tems an die Aus­wer­te­ein­heit (Pla­ti­ne mit Mikro­con­trol­ler) kann im Zuge des­sen direkt inte­griert wer­den und wird im Nach­gang zusam­men mit der Ven­til­aus­spa­rung des Schaf­tes frei­ge­legt. Auf die­se Wei­se ent­steht ein instru­men­tier­ter Test­schaft, der es ermög­licht, selbst bei ange­gos­se­nem Schaft­ad­ap­ter die dista­len Stumpf­druck­ver­hält­nis­se zu erfassen.

Die Flex-Sen­so­ren zur Über­wa­chung der Ver­for­mung, bei­spiels­wei­se einer indi­vi­du­ell aus­ge­leg­ten Car­bon­fe­der, wer­den nicht direkt wäh­rend der Car­bon­ver­ar­bei­tung inte­griert, son­dern nach­träg­lich auf der Hilfs­mit­tel­ober­flä­che ver­klebt. Dies ver­hin­dert eine Beschä­di­gung des Sen­sors durch den Pro­duk­ti­ons­pro­zess (s. das Bei­spiel in Abb. 3). Auf die­se Wei­se gelingt es, die Sen­so­ren dau­er­haft und von außen unsicht­bar in das Hilfs­mit­tel zu inte­grie­ren. Von einer Instru­men­tie­rung zeu­gen im Anschluss ledig­lich die extern ange­brach­te Schal­tung sowie deren Ver­ka­be­lung (Abb. 9). Dadurch sind die Sen­so­ren vor äuße­ren Ein­flüs­sen geschützt, und es erge­ben sich auch hin­sicht­lich der kos­me­ti­schen Gestal­tung kei­ne nega­ti­ven Auswirkungen.

Poten­zi­el­le Nut­zung des Sys­tems im All­tag am Bei­spiel einer Vorfußprothese

Nach der Fer­tig­stel­lung des Hilfs­mit­tels wird die Kali­brie­rung des Sys­tems in der Soft­ware durch­ge­führt. Damit wird sicher­ge­stellt, dass trotz indi­vi­du­el­ler Bau­art ein ver­wend­ba­rer Mess­wert gene­riert wer­den kann. Dar­über hin­aus wer­den die bau­art­ab­hän­gi­gen Ver­for­mungs­gren­zen der fle­xi­blen Teil­ele­men­te der Car­bon­fe­der defi­niert (in die­sem Bei­spiel für die Bereiche­OSG und Vor­fuß-Soh­len­ele­ment). Dadurch wer­den die nöti­gen Maxi­ma für die Aus­ga­be einer War­nung über den Mikro­con­trol­ler bei Über­be­las­tung des Hilfs­mit­tels hin­ter­legt. Die Mess­wert­vi­sua­li­sie­rung erfolgt der­zeit über einen PC (momen­tan „Lab­VIEW Front­pa­nel“, sie­he Abb. 6), wird zukünf­tig aber zusätz­lich über ein Smart­pho­ne 5 mög­lich sein. Der Pati­ent wird zu Beginn ein­ge­hend in die Nut­zung des Hilfs­mit­tels ein­ge­wie­sen, und zwar unter Zuhil­fe­nah­me der Mess­wert­vi­sua­li­sie­rung. In die­sem Schritt soll­ten außer­dem Events (par­ti­el­le Druck­über­schrei­tung oder Win­kel­über­schrei­tung) pro­vo­ziert wer­den, um dem Anwen­der das Feed­back­ver­hal­ten des instru­men­tier­ten Hilfs­mit­tels zu demons­trie­ren. Sofern das Sys­tem ein­ge­schal­tet ist, wer­den kon­ti­nu­ier­lich Mess­wer­te erfasst, bei Events eine ent­spre­chen­de War­nung aus­ge­ge­ben (akus­tisch sowie tak­til) und Unre­gel­mä­ßig­kei­ten auf der SD-Kar­te gespei­chert. Auf der einen Sei­te kann der Anwen­der im All­tag eine Smart­pho­ne-App zur per­sön­li­chen Kon­trol­le nut­zen, auf der ande­ren Sei­te ist der Tech­ni­ker in der Lage, Sys­tem­ein­stel­lun­gen vor­zu­neh­men und z. B. nach einem Car­bon­fe­der­bruch im Nach­hin­ein Rück­schlüs­se auf die Bruch­ur­sa­che zu ziehen.

Fazit

Der hier vor­ge­stell­te Sen­sor­sys­tem­auf­bau hat den Anspruch, die Mach­bar­keit eines sol­chen Sys­tems zu demons­trie­ren und mög­li­che Anwen­dungs­fel­der zu ana­ly­sie­ren. Das Sys­tem konn­te bis­her noch nicht an ­rea­len Pati­en­ten getes­tet wer­den. Für eine dau­er­haf­te und zuver­läs­si­ge Anwen­dung in der Pra­xis bedarf es einer Viel­zahl wei­ter­füh­ren­der Unter­su­chun­gen, in ers­ter Linie hin­sicht­lich einer ein­wand­frei­en Sen­sor­cha­rak­te­ri­sie­rung. Ein­schrän­kun­gen erge­ben sich bei der Druck­sen­so­rik, vor allem im Bereich stark gekrümm­ter Ober­flä­chen: Wer­den die Sen­so­ren zu stark vor­ver­formt, sinkt der elek­tri­sche Wider­stand in der Aus­gangs­la­ge auf einen nied­ri­gen Wert, wodurch die effek­ti­ve Mess­wert­ver­än­de­rung kei­ne Rück­schlüs­se mehr auf das tat­säch­li­che Druck­ver­hal­ten zulässt. Aus die­sem Grund muss die Druck­sen­so­rik bezüg­lich ihrer Mess­wert­ge­nau­ig­keit ana­ly­siert und vali­diert wer­den. Im Zuge des­sen wird der­zeit an der Tech­ni­schen Hoch­schu­le Ulm ein Mas­ter­pro­jekt zur Unter­su­chung der Mess­wert­ab­wei­chung bei unter­schied­li­cher Vor­ver­for­mung durch­ge­führt. Im All­ge­mei­nen lässt sich aber bereits jetzt fest­hal­ten, dass eine pra­xis­taug­li­che Instru­men­tie­rung einen wirk­li­chen Mehr­wert für Pati­en­ten und Tech­ni­ker dar­stel­len wür­de. Die Anpas­sung des Hilfs­mit­tels wird objek­ti­viert, die Nut­zung im All­tag unter­stützt und ein Ver­sa­gen indi­vi­dua­li­sier­ter Bau­grup­pen durch das Feed­back und die Warn­rou­ti­ne unwahr­schein­li­cher. Fasst man die posi­ti­ven Aspek­te zusam­men, könn­te unter Ver­wen­dung indi­vi­du­ell ein­ge­setz­ter Sen­so­ren die Sicher­heit sowie die Qua­li­tät einer Ver­sor­gung merk­lich gestei­gert werden.

Für die Autoren:
Stef­fen Matys­sek, M. Sc.
Häuss­ler Tech­ni­sche Ortho­pä­die GmbH
Jäger­stra­ße 6, 89073 Ulm
matyssek@haeussler-ulm.de

Begut­ach­te­ter Beitrag/reviewed paper

Matys­sek S, Capan­ni F. Ent­wick­lung eines mobi­len Sen­sor­sys­tems für ortho­pä­di­sche Hilfs­mit­tel. Ortho­pä­die Tech­nik, 2020; 71 (5): 58–62

 

  1. F. Capan­ni, S. Matys­sek, M. Gaas­han, E. Döt­zel. Ent­wick­lung einer indi­vi­du­el­len Vor­fuß­pro­the­se für die Wie­der­ein­glie­de­rung in den All­tags­sport. Ortho­pä­die Tech­nik, 2018; 69 (5): 68–72
  2. go-tec GmbH. GP MobilDa­ta Wifi. https://www.go-tec.de/product_GP_MobilData_Wifi.html (Zugriff am 13.04.2020)
  3. Savecomp Mega­scan GmbH. Fast­SCAN. http://megascan.de/produkte/im-schuh-messung/ (Zugriff am 31.03.2020)
  4. Spec­tra Sym­bol Corp. Flex Sen­sor Data Sheet 2014. https://www.spectrasymbol.com/wp-content/uploads/2019/07/flexsensordatasheetv2019revA.pdf (Zugriff am 31.03.2020)
  5. Nowak G. Ent­wick­lung eines mobi­len Mess­sys­tems zur Über­wa­chung ortho­pä­di­scher Hilfs­mit­tel für die Ver­sor­gung der unte­ren Extre­mi­tät. Mas­ter-The­sis, Tech­ni­sche Hoch­schu­le Ulm, 2019
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