„Intel­li­gen­te“ Socke zur Kon­trol­le der Teil­ge­wichts­be­las­tung im medi­zi­ni­schen Umfeld

Ein­lei­tung

Die Maß­nah­me der Teil­ge­wichts­be­las­tung („par­ti­al weight bea­ring“, PWB) als Bestand­teil der post­ope­ra­ti­ven Reha­bi­li­ta­ti­ons­rou­ti­ne für Pati­en­ten mit Ver­let­zun­gen der unte­ren Extre­mi­tä­ten trägt wesent­lich zur Beschleu­ni­gung des Hei­lungs­pro­zes­ses bei. Unter PWB ver­steht man die durch den Pati­en­ten aktiv aus­ge­üb­te Reduk­ti­on der Belas­tung des betrof­fe­nen Kör­per­teils auf ein vom The­ra­peu­ten vor­ge­ge­be­nes Niveau. Stu­di­en haben gezeigt, dass die Mobi­li­sie­rung mit ein­ge­schränk­ter Belas­tung der betrof­fe­nen Sei­te den Hei­lungs­pro­zess beschleu­nigt und post­ope­ra­ti­ve Kom­pli­ka­tio­nen redu­ziert  ^{1 2 3}. Dahin­ge­gen kann eine voll­stän­di­ge Ruhig­stel­lung oder eine Belas­tung mit dem vol­len Kör­per­ge­wicht die Erho­lung ver­zö­gern bzw. chir­ur­gi­sche Schä­den ver­ur­sa­chen ^{4 5 6 7}.

Trotz der Tat­sa­che, dass die PWB-Maß­nah­me zahl­rei­che the­ra­peu­ti­sche Vor­tei­le auf­weist, ist ihre Ver­ord­nung in der Pra­xis noch immer nicht der Regel­fall. Das liegt unter ande­rem dar­an, dass mög­li­che Bio-Feed­back-Gerä­te zur Kon­trol­le des PWB-Grenz­wer­tes für eine Nut­zung im All­tag sehr kost­spie­lig sind und daher nur sel­ten zum Ein­satz kom­men. Ein wei­te­rer Grund ist die schlech­te Com­pli­ance (Ein­hal­tung der The­ra­pie­an­wei­sun­gen) der Pati­en­ten mit den vom The­ra­peu­ten gefor­der­ten Grenz­wer­ten ⁸. Im Review von Hustedt et al. ⁹ wur­de auf­ge­zeigt, dass die Pati­en­ten in den ein­zel­nen Stu­di­en nicht in der Lage waren, die gefor­der­ten PWB-Grenz­wer­te mit hin­rei­chen­der Genau­ig­keit ein­zu­hal­ten. Die schlecht Com­pli­ance resul­tiert ver­mut­lich aus der Tat­sa­che, dass Ein­wei­sung und Kon­trol­le der PWB-Maß­nah­me im medi­zi­ni­schen Umfeld übli­cher­wei­se mit­tels Per­so­nen­waa­gen und/oder ver­ba­ler Instruk­tio­nen des The­ra­peu­ten erfol­gen, die teil­wei­se für die Pati­en­ten nur schwer nach­voll­zieh­bar sind ^{10 11}. Wei­ter­hin ist die Ein­hal­tung der PWB-Grenz­wer­te ohne akku­ra­tes Feed­back kaum zu rea­li­sie­ren. Dem­ge­gen­über konn­te von Hustedt ¹² in einer Stu­die mit Audio-Feed­back eine sehr hohe Com­pli­ance der Pati­en­ten, d. h. eine sehr gute Ein­hal­tung der PWB-Grenz­wer­te, fest­ge­stellt werden.

Im vor­lie­gen­den Arti­kel wird daher die Ent­wick­lung eines kos­ten­güns­ti­gen, trag­ba­ren und „intel­li­gen­ten“ Live-Feed­back-Gerä­tes für den Ein­satz im medi­zi­ni­schen Umfeld skiz­ziert, das u. a. vom Pati­en­ten dazu genutzt wer­den kann, die Ein­hal­tung der PWB-Vor­ga­ben mit­tels visu­el­len oder audi­tiven Feed­backs in Echt­zeit zu kontrollieren.

„Intel­li­gen­te“ Socke

Zu Beginn der Ent­wick­lung wur­de als wesent­li­che Anfor­de­rung fest­ge­legt, dass das zu ent­wi­ckeln­de Sys­tem die Erfas­sung ver­schie­dens­ter phy­si­ka­li­scher Para­me­ter erlau­ben und dem Anwen­der die Mög­lich­keit eines Feed­backs bie­ten muss. Das Sys­tem­de­sign soll einen hohen Grad an Fle­xi­bi­li­tät und Modu­la­ri­tät auf­wei­sen und als trag­ba­res Gerät ver­wend­bar sein, das den Trä­ger nicht beein­träch­tigt und damit all­tags­taug­lich ist. Wei­ter­hin soll das Sys­tem mög­lichst unkom­pli­ziert mit unter­schied­li­chen Sen­so­ren und Akto­ren erwei­ter­bar sein und die Fähig­keit besit­zen, meh­re­re Gerä­te zu einem Sen­sor­netz­werk zu ver­bin­den. Als Ergeb­nis des Ent­wick­lungs­pro­zes­ses wur­de unter ande­rem eine soge­nann­te instru­men­tier­te Socke ent­wi­ckelt. Die­se besteht aus einem modu­la­ren Mess­sys­tem und einer mit druck­sen­si­ti­ven Sen­so­ren bestück­ten Socke (Abb. 1). Das modu­la­re Mess­sys­tem beinhal­tet in einem was­ser­dich­ten Gehäu­se neben einem Lithi­um-Akku sowohl die ana­lo­ge als auch die digi­ta­le Mess­ein­heit mit ent­spre­chen­den Modulan­schluss­mög­lich­kei­ten (Abb. 2). Auf den Mess­ein­hei­ten befin­den sich Iner­ti­al- und Tem­pe­ra­tur­sen­so­ren. Über die Steck­ver­bin­dung des Modulan­schlus­ses sind im Fal­le der instru­men­tier­ten Socke zusätz­lich acht resis­ti­ve Druck­sen­so­ren auf einer in die Socke ein­ge­ar­bei­te­ten Soh­le ange­schlos­sen. Neben den Druck­sen­so­ren las­sen sich über den Modulan­schluss auch wei­te­re phy­si­ka­li­sche Sen­so­ren, z. B. ein Feuch­te­sen­sor und/oder Akto­ren, erfas­sen bzw. steuern.

Mit­tels der ver­wen­de­ten Daten­er­fas­sungs­hard­ware ist es mög­lich, die Span­nungs­be­rei­che der Sen­so­ren und somit die Sen­sor­auf­lö­sung indi­vi­du­ell anzu­pas­sen. Zudem besteht durch die ein­ge­bet­te­te Soft­ware die Mög­lich­keit, die indi­vi­du­ell ein­stell­ba­re Abtast­ra­te auto­ma­tisch und situa­tiv an die Mess­an­for­de­run­gen anzu­pas­sen ¹³. Das robus­te und minia­tu­ri­sier­te Mess­sys­tem besitzt eine draht­lo­se Kom­mu­ni­ka­ti­ons­schnitt­stel­le. Damit ist es mög­lich, die Sen­sor­da­ten in Echt­zeit zu ver­ar­bei­ten, um die­se ent­we­der an ein End­ge­rät, z. B. einen Tablet-PC oder ein Smart­phone, zu sen­den und visu­ell dar­stel­len zu las­sen oder aber als Feed­back, z. B. audi­tiv in Form eines Signal­tons, direkt an den Nut­zer zurück­zu­mel­den (vgl. die Aus­füh­run­gen zum Feed­back­sys­tem unten).

Auf­grund der auf­ge­führ­ten Eigen­schaf­ten der instru­men­tier­ten Mess­so­cke ist es mög­lich, sowohl im Labor als auch außer­halb des Labors unter rea­len Bedin­gun­gen die Druck­ver­tei­lung auf­zu­zeich­nen. Dar­über hin­aus kann die „intel­li­gen­te“ Socke mit­tels des imple­men­tier­ten Feed­back­sys­tems die resul­tie­ren­de PWB beim Ste­hen und Gehen berech­nen und zurückmelden.

Feed­back­sys­tem

Ein Feed­back­sys­tem stellt dem Anwen­der objek­ti­ve und kom­ple­men­tä­re exter­ne Infor­ma­tio­nen über den inter­es­sie­ren­den Para­me­ter, z. B. die aktu­el­le Gewichts­be­las­tung des betrof­fe­nen Bei­nes, zur Ver­fü­gung. Um die instru­men­tier­te Socke als Live-Feed-back-Gerät im Rah­men der PWB-Maß­nah­me ver­wen­den zu kön­nen, umfasst das Mess­sys­tem neben den zuvor beschrie­be­nen Hard­ware­kom­po­nen­ten auch Soft­ware­lö­sun­gen zur Imple­men­tie­rung von Aus­wer­te­al­go­rith­men und eines visu­el­len bzw. audi­tiven Feedbacks.

Daten­pro­z­ze­sie­rung

Zur Ver­wen­dung der instru­men­tier­ten Socke als PWB-Feed­back­sys­tem kom­men kali­brier­te Sen­so­ren zum Ein­satz. Zur Gewin­nung der indi­vi­du­el­len Kali­brier­kur­ven wer­den die resis­ti­ven Foli­en­druck­sen­so­ren dyna­misch über den gesam­ten Arbeits­be­reich belas­tet. Anhand der Druck­wer­te und unter Kennt­nis der Sen­sor­flä­che lässt sich die ortho­go­nal auf den Sen­sor wir­ken­de Belas­tung in Form der ver­ti­ka­len Boden­re­ak­ti­ons­kraft und dar­aus die Gesamt­be­las­tung auf das betrof­fe­ne Bein bestim­men. Alter­na­tiv kann durch manu­el­le Ein­ga­be des Kör­per­ge­wich­tes des Pati­en­ten und eine sta­ti­sche Mes­sung der Druck­wer­te im Ein­bein­stand auf dem nicht betrof­fe­nen Bein der Refe­renz­wert für 100 % Belas­tung ermit­telt wer­den. Die Höhe der tat­säch­lich auf­tre­ten­den Teil­be­las­tung ent­spricht dem Ver­hält­nis zwi­schen der tat­säch­lich gemes­se­nen Belas­tung des betrof­fe­nen Bei­nes und dem Referenzwert.

Gra­fi­sche Benutzeroberfläche

Das Mess­sys­tem ver­fügt über eine gra­fi­sche Benut­zer­ober­flä­che („gra­phi­cal user inter­face“, GUI), die auf das zu ver­bin­den­de End­ge­rät auto­ma­tisch auf­ge­spielt wer­den kann (Abb. 3). Über die GUI lässt sich das Kör­per­ge­wicht des Pro­ban­den ein­ge­ben bzw. die sta­ti­sche Ein­bein­stand­mes­sung zur Berech­nung des Refe­renz­wer­tes star­ten. Anschlie­ßend kann das vom The­ra­peu­ten vor­ge­ge­be­ne Niveau der PWB, z. B. 35 %, ein­ge­stellt wer­den. Nach­dem die Vor­ein­stel­lun­gen abge­schlos­sen sind, lässt sich über die GUI die Mes­sung star­ten, stop­pen sowie bereits auf­ge­zeich­ne­te Mes­sun­gen anzeigen.

Visu­el­les Feedback

Das visu­el­le Feed­back erfolgt über die GUI. Mit­tels Farb‑, Lini­en- oder Bal­ken­dia­gram­men las­sen sich die lau­fen­de Mes­sung und somit die aktu­ell auf­tre­ten­den PWB über den zeit­li­chen Ver­lauf online dar­stel­len. Wei­ter­hin kann die Visua­li­sie­rung auch genutzt wer­den, um eine bereits absol­vier­te Mes­sung im Nach­gang noch­mals off­line dar­zu­stel­len. Die­ser Modus ist ins­be­son­de­re geeig­net, um ein Post-Trai­ning-Feed­back zu ermöglichen.

Audi­tives Feedback

Neben dem visu­el­len Feed­back ermög­licht die „intel­li­gen­te“ Socke auch audi­tives Feed­back. Hier­zu wird die aktu­ell auf­tre­ten­de PWB mit einem ein­ge­stell­ten Grenz­wert abge­gli­chen. Bei Über­schrei­ten des Grenz­wer­tes wird ein akus­ti­sches Alarm­si­gnal aus­ge­ge­ben, das den Pati­en­ten dar­über infor­miert, dass er sei­ne Belas­tung redu­zie­ren muss. Sobald der Grenz­wert unter­schrit­ten ist, ver­stummt das akus­ti­sche Alarm­si­gnal wieder.

Dis­kus­si­on

Das ent­wi­ckel­te Mess­sys­tem eig­net sich auf­grund sei­nes gerin­gen Gewich­tes und sei­ner Dimen­sio­nen her­vor­ra­gend, um wäh­rend der Behand­lungs­maß­nah­me am Knö­chel des Pati­en­ten getra­gen zu wer­den. Da es hier­bei zu kei­ner­lei Ein­schrän­kun­gen oder Beein­träch­ti­gun­gen des Pati­en­ten kommt, kann dies als ein wesent­li­cher Vor­teil der instru­men­tier­ten Socke ange­se­hen wer­den. Bis­he­ri­ge Sys­te­me zur Dru­cker­fas­sung haben zum Teil sta­tio­nä­ren Cha­rak­ter (z. B. Druck­mess­plat­ten) und sind folg­lich nur unter Labor­be­din­gun­gen ein­setz­bar. Gegen­über den am Markt bereits ver­füg­ba­ren mobi­len Mess­sys­te­men, die in der Regel in Ein­le­ge­soh­len inte­griert wer­den, bie­tet die instru­men­tier­te Socke den Vor­teil, dass ledig­lich ein grund­le­gen­der Beklei­dungs­be­stand­teil – die Socke – sub­sti­tu­iert wer­den muss. Folg­lich kann die „intel­li­gen­te“ Socke pro­blem­los zur Erfas­sung des PWB unter Feld­be­din­gun­gen ein­ge­setzt wer­den. Hier­zu trägt auch die Lauf­zeit des in das Mess­sys­tem inte­grier­ten Akkus bei, die bis zu sechs, zukünf­tig bis zu 24 Stun­den beträgt.

Die mit der instru­men­tier­ten Socke erfass­ten Daten wer­den in Echt­zeit ver­ar­bei­tet und kön­nen unab­hän­gig von einem exter­nen End­ge­rät von der ein­ge­bet­te­ten Soft­ware wei­ter­ver­ar­bei­tet wer­den. Durch die Bereit­stel­lung einer draht­lo­sen Kon­nek­ti­vi­tät ist es jedoch zusätz­lich mög­lich, die Daten auch auf einem exter­nen End­ge­rät, bei­spiels­wei­se für visu­el­les oder audi­tives Feed­back, bereitzustellen.

Das imple­men­tier­te Feed­back ist der­zeit noch ein­fach gehal­ten und ermög­licht sei­nem Nut­zer ledig­lich eine Rück­mel­dung bei Unter- oder Über­schrei­ten eines Grenz­wer­tes. Dies könn­te künf­tig dadurch ver­bes­sert wer­den, dass die aktu­ell auf­tre­ten­de PWB „soni­fi­ziert“ wird. Dar­un­ter ver­steht man die Anwen­dung syn­the­ti­scher, non­ver­ba­ler Klän­ge zur Reprä­sen­ta­ti­onnu­me­ri­scher Daten zur Unter­stüt­zung der Infor­ma­ti­ons­ver­ar­bei­tung des Men­schen ^{14 15}. Kon­kret soll­te künf­tig die Abwei­chung der erfass­ten ver­ti­ka­len Boden­re­ak­ti­ons­kräf­te vom ein­ge­stell­ten PWB-Wert mit­tels der Stell­grö­ßen des Schalls, d. h. durch Ste­reo-Balan­ce, Ton­hö­he und Laut­stär­ke, soni­fi­ziert wer­den. Hier­durch erhält der Anwen­der umfang­rei­che­re Rück­mel­dun­gen über sei­ne aktu­el­le­Teil­be­las­tung und kann die­se bei Unter- bzw. Über­schrei­tung sehr gezielt anpassen.

Ein wei­te­rer Ent­wick­lungs­schritt wird die Ver­bes­se­rung des Ver­fah­rens zur Bestim­mung der ver­ti­ka­len Boden­re­ak­ti­ons­kraft anhand der gemes­se­nen Druck­wer­te sein. Die Berech­nung der ver­ti­ka­len Boden­re­ak­ti­ons­kraft aus dem auf den Sen­sor­flä­chen gemes­se­nen Druck führt bei unvoll­stän­di­gem plant­arem Kon­takt des Fußes mit dem Boden zu sys­te­ma­ti­schen Mess­ab­wei­chun­gen. Eine Mög­lich­keit, die­se Mess­ab­wei­chun­gen zu redu­zie­ren, besteht in der zukünf­ti­gen Nut­zung künst­li­cher neu­ro­na­ler Net­ze. Künst­li­che neu­ro­na­le Net­ze ver­kör­pern die tech­ni­sche Rea­li­sie­rung bio­lo­gisch moti­vier­ter Model­le der Infor­ma­ti­ons­ver­ar­bei­tung in Gehirn und Ner­ven­sys­tem ¹⁶. Ver­schie­dens­te Stu­di­en haben gezeigt, dass mit­tels Druck­sen­so­ren und unter Anwen­dung künst­li­cher neu­ro­na­ler Net­ze die ver­ti­ka­le Boden­re­ak­ti­ons­kraft mit hoher Genau­ig­keit berech­net wer­den konn­te ^{17 18 19}. Da in der Arbeits­grup­pe bereits Erfah­run­gen mit künst­li­chen neu­ro­na­len Net­zen gesam­melt wur­den, wird deren Imple­men­tie­rung auch für die „intel­li­gen­te“ Socke vorgesehen.

Fazit

Zusam­men­fas­send ist fest­zu­stel­len, dass es mit dem in die­ser Arbeit skiz­zier­ten Mess­sys­tem mög­lich wird, die Bereit­schaft und Fähig­keit von Pati­en­ten zur Anwen­dung und Ein­hal­tung von PWB zu erhö­hen. Das visu­el­le und ins­be­son­de­re audi­tive Live-Feed­back ist sowohl für den Pati­en­ten als auch den The­ra­peu­ten hilf­reich, um ein Gefühl für die adäqua­te Teil­be­las­tung zu erhal­ten. Wei­ter­hin ermög­licht das Mess­sys­tem durch sei­nen modu­la­ren Auf­bau auch einen Ein­satz im Rah­men wei­te­rer Mess­auf­ga­ben aus dem medi­zi­ni­schen, bio­me­cha­ni­schen oder spor­ti­ven Umfeld.

Für die Autoren
Domi­nik Krumm, M. A.
Tech­ni­sche Uni­ver­si­tät Chemnitz
Pro­fes­sur Sportgerätetechnik
Rei­chen­hai­ner Str. 70
09126 Chem­nitz
dominik.krumm@mb.tu-chemnitz.de

Begut­ach­te­ter Beitrag/reviewed paper

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