Mög­lich­kei­ten für Anwen­dun­gen von Smart Tex­ti­les in der Prothetik

M. Hörr, M. Reiffenrath, T. Gries, S. Jockenhövel
Funktionen können als textile Sensorik oder Aktorik in das Textil integriert werden. Moderne Prothesen werden heutzutage aus Glas- oder Carbonfasern hergestellt. Durch die Verwendung von Textilien als Verstärkungsstruktur im Verbundbauteil finden Smart Textiles Anwendung in modernen Prothesen. Textile Sensorik oder Aktorik kann in die Verstärkungsstruktur, in den Liner oder in den Stumpfstrumpf int­egriert werden. Aufgrund der textilen Eigenschaften und der Haptik textiler Sensoren und Aktoren besteht keine Gefahr von Druckstellen durch diese Integration.

Ein­lei­tung

Moder­ne Pro­the­sen wer­den heut­zu­ta­ge aus Glas- oder Car­bon­fa­sern her­ge­stellt. Hier­bei wer­den soge­nann­te Prep­regs (Halb­zeug, bestehend aus Lang- oder End­los­fa­sern und einer vor­ge­trock­ne­ten bzw. vor­ge­här­te­ten, jedoch noch nicht poly­me­ri­sier­ten duro­plas­ti­schen Kunst­stoff­ma­trix) zur Her­stel­lung der Schäf­te ver­wen­det. Durch die Ver­wen­dung von Tex­ti­li­en als Ver­stär­kungs­struk­tur im Ver­bund­bau­teil kön­nen intel­li­gen­te Tex­ti­li­en in moder­nen Pro­the­sen Anwen­dung fin­den. In der Pro­the­tik wer­den zwi­schen Stumpf und Pro­the­se soge­nann­te Liner ein­ge­setzt, um die Ent­ste­hung von Druck­stel­len zwi­schen Stumpf und Pro­the­se zu ver­hin­dern und der Pro­the­se eine Ver­bin­dung zum Stumpf zu ermög­li­chen. Häu­fig sind die­se Liner aus Sili­kon, Poly­ure­than oder Copo­ly­mer her­ge­stellt, jedoch auch Stumpf­s­trümp­fe fin­den ihre Anwen­dung. Sowohl in den Liner als auch in den Stumpf­strumpf kann tex­ti­le Sen­so­rik oder Akto­rik inte­griert wer­den. Auf­grund der tex­ti­len Eigen­schaf­ten und der Hap­tik tex­ti­ler Sen­so­ren und Akto­ren ist die Gefahr der Ent­ste­hung von Druck­stel­len nicht gegeben.

Anzei­ge

Zu den Smart Tex­ti­les, auch „Intel­li­gen­te Tex­ti­li­en“ genannt, gehö­ren Tex­ti­li­en mit elek­tro­ni­schen Zusatz­funk­tio­nen. Durch das Ein­brin­gen von Sen­so­ren, Akto­ren, Ener­gie­ver­sor­gung sowie elek­tro­ni­schen Bau­ele­men­ten und Schal­tun­gen in Tex­ti­li­en wer­den die­sen erwei­ter­te Funk­tio­na­li­tä­ten zugewiesen.

Mit Hil­fe unter­schied­li­cher Sen­so­ren, die in das Tex­til inte­griert oder durch leit­fä­hi­ge tex­ti­le Struk­tu­ren umge­setzt wer­den, kön­nen unter­schied­li­che Mess­wer­te wie z. B. Druck und Tem­pe­ra­tur, jedoch auch Mus­kel­ak­ti­vi­tät ermit­telt wer­den. Des Wei­te­ren kann durch die Inte­gra­ti­on tex­ti­ler Elek­tro­den in die Pro­the­se eine Elek­tro­sti­mu­la­ti­on von Mus­keln und Ner­ven erzielt wer­den, die zur Mus­kel­lo­cke­rung und ‑stär­kung, aber auch zur Schmerz­the­ra­pie ein­ge­setzt wer­den kann.

Tex­ti­le Druck­sen­so­ren für die Prothetik

In der Pro­the­tik kommt es maß­geb­lich dar­auf an, dass Pro­the­sen pass­ge­nau an den Pati­en­ten ange­passt wer­den und kei­ne Irri­ta­tio­nen oder Druck­stel­len her­vor­ru­fen. Die­se kön­nen jedoch ins­be­son­de­re bei Ände­rung der äuße­ren Fak­to­ren oder durch Ver­än­de­rung des Stumpf­um­fan­ges auch bei gut ange­pass­ten Pro­the­sen auf­tre­ten. Hier­bei kön­nen Smart Tex­ti­les durch die Inte­gra­ti­on von Sen­so­ren sowohl in den Liner als auch in die Pro­the­se selbst einen erheb­li­chen Bei­trag zur Ver­hin­de­rung von Irri­ta­tio­nen leis­ten. Zudem kön­nen die Sen­so­ren auch zur Ver­bes­se­rung und Ver­ein­fa­chung der Anpas­sung von Pro­the­sen ein­ge­setzt werden.

Tex­ti­le Druck­sen­so­ren in Pro­the­sen bie­ten die Mög­lich­keit, die genaue Anpas­sung und den Sitz der Pro­the­se zu über­prü­fen. So kön­nen Druck­stel­len und ungleich­mä­ßi­ge Belas­tun­gen ver­mie­den wer­den. Im Rah­men der Erstan­pas­sung von Pro­the­sen kön­nen Druck­stel­len detek­tiert und loka­li­siert sowie dem­entspre­chen­de Anpas­sun­gen an der Pro­the­se vor­ge­nom­men werden.

Die Druck­ver­tei­lung wird mit Hil­fe eines tex­ti­len Druck­sen­sors erfasst und die erfass­ten Daten durch eine dazu­ge­hö­ri­ge Elek­tro­nik aus­ge­wer­tet. Tex­ti­le Druck­sen­so­ren bie­ten hier den Vor­teil einer bes­se­ren Inte­grier­bar­keit in die Pro­the­se durch die Dra­pier­bar­keit (sphä­ri­sche Ver­form­bar­keit eines tex­ti­len Flä­chen­ge­bil­des ohne Fal­ten­bil­dung) des Tex­tils und ver­rin­gern somit die Gefahr einer zusätz­li­chen Druck­stel­le durch den Sen­sor selbst. Je nach Aus­füh­rung und Prin­zip des Druck­sen­sors kann die Inte­gra­ti­on sowohl in der Pro­the­se als auch im Liner vor­ge­nom­men oder auch in einer kom­bi­nier­ten Lösung aus­ge­führt werden.

Tex­ti­le Druck­sen­so­ren kön­nen auf Basis unter­schied­li­cher Mess­prin­zi­pi­en rea­li­siert wer­den: als kapa­zi­ti­ve, pie­zo­re­si­ti­ve oder resis­ti­ve Mes­sung. Dazu im Einzelnen:

Die kapa­zi­ti­ve Druck­mes­sung basiert auf dem Prin­zip eines Par­al­lel­plat­ten­kon­den­sa­tors. Ein kapa­zi­ti­ver Druck­sen­sor besteht daher aus zwei lei­ten­den Flä­chen als Elek­tro­den, die durch Abstands­än­de­rung unter Druck­ein­wir­kung ihre Kapa­zi­tät ändern. Zur Nut­zung als tex­ti­ler Druck­sen­sor wer­den zwei leit­fä­hi­ge tex­ti­le Flä­chen par­al­lel zuein­an­der ange­ord­net. Zwi­schen die­se Flä­chen wird ein Abstands­tex­til ein­ge­bracht. Die­ses kann je nach Anwen­dung ein Schaum­stoff oder ein Abstands­tex­til sein. In Abbil­dung 1 ist das Sche­ma eines sol­chen kapa­zi­ti­ven Druck­sen­sors dargestellt.

Pie­zo­re­sis­ti­ve Druck­sen­so­ren besit­zen eine Mem­bran, die in der Regel aus Sili­zi­um­sub­strat mit auf­ge­präg­ten elek­tri­schen Wider­stän­den besteht. Durch die druck­ab­hän­gi­ge Ver­for­mung der Mem­bran ver­än­dert sich die anlie­gen­de elek­tri­sche Span­nung, die elek­tro­nisch aus­ge­wer­tet wird.

Resis­ti­ve Druck­sen­so­ren basie­ren im All­ge­mei­nen auf dem Prin­zip der Ände­rung des elek­tri­schen Wider­stands unter Druck. Zur resis­ti­ven Druck­mes­sung gibt es wie­der­um zwei unter­schied­li­che Mess­prin­zi­pi­en: Das ers­te Prin­zip basiert auf druck­emp­find­li­chen Mate­ria­li­en, die zwi­schen zwei elek­tri­schen Lei­tern ein­ge­bracht einen druck­ab­hän­gi­gen Wider­stand auf­wei­sen. Das zwei­te Prin­zip ist ein resis­ti­ver Deh­nungs­sen­sor, des­sen Wider­stand sich abhän­gig von der Deh­nung des Sen­sor­ma­te­ri­als ändert.

Druck­emp­find­li­che Mate­ria­li­en zur resis­ti­ven Druck­mes­sung kön­nen zum Bei­spiel – wie in Abbil­dung 2 sche­ma­tisch dar­ge­stellt – zwi­schen zwei Tex­ti­li­en mit sich kreu­zen­den elek­trisch leit­fä­hi­gen Struk­tu­ren ein­ge­bracht wer­den. Unter Druck ver­än­dert sich der spe­zi­fi­sche Über­gangs­wi­der­stand des druck­emp­find­li­chen Mate­ri­als. Durch die Aus­wer­tung der Wider­stands­än­de­rung an den Kreu­zungs­punk­ten der leit­fä­hi­gen Struk­tu­ren kann die­ser Druck quan­ti­fi­ziert und loka­li­siert werden.

Das zwei­te Prin­zip zur resis­ti­ven Druck­mes­sung basiert auf der Wider­stands­än­de­rung leit­fä­hi­ger Mate­ria­li­en unter Deh­nungs­ein­fluss. Die­se Sen­so­ren sind hier­durch im eigent­li­chen Sin­ne kei­ne Druck‑, son­dern Deh­nungs­sen­so­ren. Aus der Wider­stands­än­de­rung kann die Län­gen­än­de­rung berech­net wer­den, aus der wie­der­um auf den ein­wir­ken­den Druck zur Erzie­lung die­ser Län­gen­än­de­rung geschlos­sen wer­den kann. In Abbil­dung 3 ist ein typi­scher Ver­lauf des Wider­stan­des über der Deh­nung wiedergegeben.

Die Aus­wahl der geeig­ne­ten Sen­sor­tech­no­lo­gie ist abhän­gig vom Ein­satz­zweck und vom Ein­satz­ort der Sen­so­rik. Wich­ti­ge Para­me­ter zur Aus­wahl sind hier­bei unter ande­rem die Mate­ri­al­aus­wahl, die Inte­gra­ti­ons­mög­lich­kei­ten für den Sen­sor an der Mess­stel­le sowie die Auf­lö­sung und der Mess­be­reich des Sensors.

Tem­pe­ra­tur­re­gu­lie­rung für die Prothetik

Nach Ampu­ta­tio­nen kommt es häu­fig zu Durch­blu­tungs- und Emp­fin­dungs­stö­run­gen im Stumpf­be­reich. Dies kann zu Aus­küh­lun­gen des Stump­fes füh­ren, ohne dass der Betrof­fe­ne dies bemerkt. Hier­durch kann es nicht nur zu Unter­küh­lun­gen kom­men, son­dern im Extrem­fall sogar zu Erfrie­run­gen am Stumpf. Um dem ent­ge­gen­zu­wir­ken, kön­nen Tem­pe­ra­tur­sen­so­ren und Heiz­fa­sern in die Pro­the­se oder den Liner inte­griert wer­den. Die Strom­ver­sor­gung erfolgt über eine Inte­grie­rung von Lei­ter­bah­nen in die Pro­the­se. Heiz­fa­sern und faser­för­mi­ge Tem­pe­ra­tur­sen­so­ren kön­nen direkt wäh­rend des Her­stel­lungs­pro­zes­ses in den Schaft oder in den Liner inte­griert wer­den. Tex­ti­le Tem­pe­ra­tur­sen­so­ren wer­den in der Pro­the­tik in Kom­bi­na­ti­on mit Heiz­tex­ti­li­en ein­ge­setzt. Die­se Kom­bi­na­ti­on dient zur Rege­lung der Tem­pe­ra­tur im Schaft­be­reich. Schaft- und Außen­tem­pe­ra­tur wer­den dabei einem stän­di­gen Ist-Soll-Ver­gleich unter­zo­gen und regeln somit die Leis­tung des Heiztextils.

Es gibt meh­re­re Mess­prin­zi­pi­en, die für die Umset­zung tex­ti­ler Tem­pe­ra­tur­sen­so­ren zugrun­de gelegt wer­den kön­nen: Wider­stands­ther­mo­me­ter (Wider­stands­än­de­rung), Ther­mo­ele­men­te (ther­mo­elek­tri­scher Effekt) sowie faser­op­ti­sche Tem­pe­ra­tur­sen­so­ren (Raman-Effekt). Je nach Anwen­dungs­fall wird das geeig­ne­te Mess­prin­zip aus­ge­wählt und in einem tex­ti­len Tem­pe­ra­tur­sen­sor umgesetzt.

Tex­ti­le Heiz­struk­tu­ren wer­den durch die Inte­gra­ti­on elek­trisch leit­fä­hi­ger Fasern mit hohem elek­tri­schem Wider­stand umge­setzt. Hier­zu kön­nen z. B. Metall­fa­sern oder leit­fä­hig beschich­te­te Fasern in ein Tex­til inte­griert wer­den. Nach Anle­gen eines elek­tri­schen Stro­mes begin­nen die­se Heiz­fa­sern auf­grund des hohen elek­tri­schen Wider­stan­des Wär­me zu erzeu­gen und strah­len die­se an das umge­ben­de Tex­til, aber auch an die Umge­bung ab. Die­ser Abstrah­lungs­ef­fekt ist abhän­gig von der Wär­me­leit­fä­hig­keit des Trä­ger­ma­te­ri­als. In Abbil­dung 4a ist das Auf­sti­cken einer iso­lier­ten Edel­stahl­fa­ser dar­ge­stellt. Die­se wird als Mäan­der­struk­tur auf ein Trä­ger­tex­til mit gerin­ger Wär­me­leit­fä­hig­keit auf­ge­bracht. Mit einer Wär­me­bild­ka­me­ra auf­ge­nom­me­ne Infra­rot­bil­der des rei­nen Heiz­tex­tils mit gerin­ger Wär­me­leit­fä­hig­keit (Abb. 4b) und des Heiz­tex­tils, dra­piert um einen Mate­ri­al­kern mit höhe­rer Wär­me­leit­fä­hig­keit (Abb. 4c), zei­gen die Ein­flüs­se der Wär­me­strah­lung auf die Ver­tei­lung der Wär­me. Die­ser Effekt kann durch das Hin­zu­fü­gen von soge­nann­tem Pha­se Chan­ge Mate­ri­al (PCM) noch ver­stärkt wer­den, da die­ses als Wär­me- und Käl­te­puf­fer ein­ge­setzt wer­den kann.

In Abbil­dung 5 ist die Prin­zip­dar­stel­lung einer Bein­pro­the­se mit Tem­pe­ra­tur­re­gu­lie­rung mit­tels tex­ti­ler Tem­pe­ra­tur­sen­so­rik und tex­ti­ler Heiz­struk­tur wie­der­ge­ge­ben. Alle not­wen­di­gen Lei­ter­bah­nen kön­nen durch Inte­gra­ti­on in die Faser­ver­stär­kung direkt in die Pro­the­sen­struk­tur inte­griert wer­den. Das dar­ge­stell­te Kon­zept sieht eine Inte­gra­ti­on der Regel­elek­tro­nik und der Ener­gie­ver­sor­gung in den Fuß vor. Der inte­grier­te Akku kann mit­tels induk­ti­ven Ladens über Nacht kabel­los gela­den werden.

Tex­ti­le Elek­tro­den für Elek­tro­myo­gra­fie (EMG) und Elektrotherapie

Tex­ti­le Sen­so­ren kön­nen nicht nur genutzt wer­den, um phy­si­sche Grö­ßen wie Druck, Deh­nung und Tem­pe­ra­tur zu mes­sen, sie kön­nen auch ein­ge­setzt wer­den, um Bio­si­gna­le zu erfas­sen und zu mes­sen. Bio­si­gna­le sind elek­tri­sche Span­nun­gen als Ergeb­nis bio­lo­gi­scher Akti­vi­tä­ten im Kör­per (z. B. EKG, EEG, EMG). Hier­zu wer­den tex­ti­le Sen­so­ren ent­wi­ckelt, die als Elek­tro­den ein­ge­setzt wer­den kön­nen. Die­se Mög­lich­keit, tex­ti­le Sen­so­ren als Elek­tro­den aus­zu­le­gen, kann auch in der Pro­the­tik Anwen­dung fin­den: Über tex­ti­le Elek­tro­den, die in den Liner inte­griert wer­den, wird dabei die elek­tri­sche Mus­kel­ak­ti­vi­tät gemes­sen. Die Mes­sung der elek­tri­schen Mus­kel­ak­ti­vi­tät wird auch Elek­tro­myo­gra­fie (EMG) genannt. Hier­durch kön­nen elek­tri­sche Mus­kel­ak­ti­vi­tä­ten ober­halb der Ampu­ta­ti­on ermit­telt und hier­über eine Steue­rung elek­trisch gesteu­er­ter Pro­the­sen erreicht werden.

Tex­ti­le Elek­tro­den wer­den aus sil­ber­be­schich­te­ten, leit­fä­hi­gen Fasern oder Gar­nen her­ge­stellt. Die­se kön­nen ver­strickt (Abb. 6a), ver­webt oder ver­stickt wer­den. Gestick­te Elek­tro­den kön­nen mit unter­schied­li­chen Stick­ver­fah­ren her­ge­stellt wer­den. In Abbil­dung 6b ist eine tex­ti­le Elek­tro­de dar­ge­stellt, die mit­tels des Moos­stick­ver­fah­rens her­ge­stellt wur­de. Bei die­sem Ver­fah­ren wer­den Schlau­fen des leit­fä­hi­gen Garns von unten durch das Trä­ger­ma­te­ri­al hoch­ge­zo­gen und bil­den in geeig­ne­ter Anord­nung eine geschlos­se­ne Flä­che. Die durch die­ses Ver­fah­ren erzeug­te Elek­tro­den­ober­flä­che bie­tet einen sehr guten Kon­takt zwi­schen Elek­tro­de und Haut, da die drei­di­men­sio­na­le Struk­tur sich aus­ge­zeich­net an die Kon­tu­ren des mensch­li­chen Kör­pers anpas­sen kann. Durch die Schlau­fen­struk­tur an der Ober­flä­che wer­den Ungleich­mä­ßig­kei­ten auf der Haut­ober­flä­che aus­ge­gli­chen und bie­ten dem Nut­zer ein sehr ange­neh­mes Tra­ge­ge­fühl. Die Elek­tro­den füh­len sich trotz Sil­ber­ober­flä­che ange­nehm weich an und wei­sen ein sehr gutes Dra­pie­rungs­ver­hal­ten auf. Moos­ge­stick­te Elek­tro­den kön­nen ent­we­der gezielt an vor­ge­ge­be­nen Stel­len oder als Array in einem defi­nier­ten Abstand zuein­an­der auf­ge­stickt wer­den. Auf­grund der Schlau­fen­struk­tur weist die­se Elek­tro­den­art ein gutes Feuch­tema­nage­ment auf. Die Feuch­tig­keit wird in den Schlau­fen­zwi­schen­räu­men und von spe­zi­el­len Fasern und Faser­struk­tu­ren gespei­chert und kann somit über die Zeit abge­ge­ben wer­den. Dies führt zu einer guten Signal­über­tra­gung und somit zu einer hohen Signalqualität.

Tex­ti­le Elek­tro­den kön­nen aber nicht nur als Sen­so­ren, son­dern auch als Akto­ren ein­ge­setzt wer­den. Die­se kön­nen zur Ein­brin­gung geziel­ter Elek­tro­sti­mu­la­ti­on von Mus­keln sowie zur Schmerz­the­ra­pie ein­ge­setzt wer­den. Kle­be­elek­tro­den, die zu Haut­rei­zun­gen füh­ren kön­nen, wer­den durch den Ein­satz von tex­ti­len Elek­tro­den über­flüs­sig. In Abbil­dung 7 ist eine Rücken­ban­da­ge mit moos­ge­stick­ten Elek­tro­den abge­bil­det. Die­se Elek­tro­den wer­den zur Elek­tro­the­ra­pie ver­wen­det. Abhän­gig von Fre­quenz und Strom­stär­ke kann eine Elek­tro­sti­mu­la­ti­ons­rü­cken­ban­da­ge sowohl zur Mus­kel­ent­span­nung oder ‑kräf­ti­gung als auch zur Schmerz­the­ra­pie genutzt werden.

Aus­blick

Smart Tex­ti­les wird ins­be­son­de­re in medi­zi­ni­schen Anwen­dun­gen immer grö­ße­re Auf­merk­sam­keit geschenkt. Ins­be­son­de­re die Über­wa­chung von Kör­per­funk­tio­nen wie der Herz­fre­quenz (Puls) oder des Elek­tro­kar­dio­gramms (EKG) sind häu­fi­ge Anwen­dun­gen tex­til­in­te­grier­ter Sen­so­ren und Elek­tro­den. Die­se bereits bestehen­den Anwen­dun­gen soll­ten in Zukunft für wei­te­re Anwen­dungs­fel­der wie die Pro­the­tik erschlos­sen wer­den. Tex­ti­le Elek­tro­den, die heut­zu­ta­ge Herz­fre­quen­zen und EKG mes­sen, kön­nen mor­gen schon zur Pro­the­sen­steue­rung durch die Mes­sung der Mus­kel­ak­ti­vi­tät (EMG) ver­wen­det werden.

Auch der Bereich der Heiz­tex­ti­li­en ist in den letz­ten Jah­ren stark gewach­sen, ins­be­son­de­re Heiz­un­ter­wä­sche hat sich auf dem Markt bereits eta­bliert. In der For­schung gibt es sehr vie­le tex­ti­le Tem­pe­ra­tur­sen­so­ren, die für unter­schied­li­che Anwen­dun­gen ent­wi­ckelt wur­den. Die­se Erfah­run­gen soll­ten genutzt, kom­bi­niert und in den Bereich der Pro­the­tik über­führt werden.

Sowohl die Inte­gra­ti­on von Funk­tio­nen in den Pro­the­sen­schaft aus Car­bon­fa­ser als auch in den Liner soll­ten in Zukunft stär­ker fokus­siert wer­den. Die Mög­lich­kei­ten von Smart Tex­ti­les soll­ten in der Pro­the­tik genutzt wer­den, um einen höhe­ren Kom­fort und eine bes­se­re Unter­stüt­zung für die Pati­en­ten zu erreichen.

Für die Autoren:
Mela­nie Hörr
Insti­tut für Tex­til­tech­nik (ITA)
der RWTH Aachen University
Medi­cal Textiles
Otto-Blu­men­thal-Stra­ße 1
52074 Aachen
Melanie.Hoerr@ita.rwth-aachen.de

Begut­ach­te­ter Beitrag/reviewed paper

Zita­ti­on
Hörr M, Reif­fen­rath M, Gries T, Jocken­hö­vel S. Mög­lich­kei­ten für Anwen­dun­gen von Smart Tex­ti­les in der Pro­the­tik. Ortho­pä­die Tech­nik, 2015; 66 (6): 28–31

 

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