„Intel­li­gen­te“ Socke zur Kon­trol­le der Teil­ge­wichts­be­las­tung im medi­zi­ni­schen Umfeld

D. Krumm, M. Neubert, M. Hill
Obwohl die Maßnahme der Teilgewichtsbelastung für Patienten mit Verletzungen der unteren Extremitäten wesentlich zur Beschleunigung des Heilungsprozesses beiträgt, ist deren Verordnung in der Praxis nicht der Regelfall. Ursächlich hierfür ist vor allem die schlechte Compliance der Patienten aufgrund fehlenden Feedbacks. In diesem Artikel wird daher die Entwicklung einer instrumentierten Socke als „Live-Feedback-Gerät“ für den Einsatz im medizinischen Umfeld skizziert. Das in diesem Artikel näher beschriebene modulare Messsystem ist in der Lage, sowohl visuelles als auch auditives Feedback für die Teilgewichtsbelastung von Patienten zu liefern, sodass künftig die Compliance der Patienten erhöht und der Heilungsprozess beschleunigt werden kann.

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.

Anzei­ge

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

Zita­ti­on
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