„Wenn der Schuh drückt“ – Tex­til­sen­so­ren für ortho­pä­di­sche Anwendungen

B. Brunner
Smarte, adaptive Materialien eröffnen im Bereich Textilien neue Möglichkeiten. Als dielektrische Elastomersensoren (DES) in Textilien verarbeitet lässt sich Silikon zur Ermittlung von Verformungen oder Druckeinwirkung einsetzen, beispielsweise zur gesundheitlichen Prophylaxe. Insbesondere Diabetespatienten spüren durch ein herabgesetztes Schmerzempfinden oftmals nicht, ob sie durch zu enges oder unpassendes Schuhwerk Druckstellen am Fuß haben. So können unbemerkt Druckgeschwüre oder sogar offene Wunden entstehen. Ein neuartiger Druckmessstrumpf – entwickelt vom Fraunhofer ISC und Partnern – soll dies verhindern, indem ein integriertes Sensorsystem den Träger vor Druckstellen warnt.

Ein­lei­tung

Um Gesund­heit und Fit­ness zu stei­gern, set­zen immer mehr Men­schen auf „Weara­ble Tech­no­lo­gies“ in Form von Arm­band­uh­ren, die Bewe­gungs­mus­ter und Puls­wer­te auf­zeich­nen. Aber auch Tex­ti­li­en sind heu­te nicht nur rei­ne Beklei­dung, son­dern kön­nen mit zusätz­li­chen Funk­tio­nen aus­ge­stat­tet wer­den, um zum Bei­spiel Druck auf den Kör­per oder Deh­nun­gen zu mes­sen. Ent­spre­chen­de Sen­so­rik in Tex­ti­li­en zu inte­grie­ren ist jedoch sehr viel auf­wen­di­ger und teu­rer, als sie in Acces­soires zu ver­wen­den. Oft muss dabei die Optik der Funk­ti­on unter­ge­ord­net wer­den. Neue Mate­ria­li­en könn­ten hier eine kos­ten­güns­ti­ge, optisch anpass­ba­re Vari­an­te sein.

Fle­xi­ble Elas­to­mer­sen­so­ren für Textilien

Das Cen­ter Smart Mate­ri­als CeS­Ma – Teil des Fraun­ho­fer-Insti­tuts für Sili­cat­for­schung ISC – ent­wi­ckelt intel­li­gen­te und adap­ti­ve Mate­ria­li­en, die sen­so­ri­sche oder akto­ri­sche Funk­tio­nen erfül­len. Der Ein­satz die­ser „smar­ten“ Mate­ria­li­en eröff­net neue Anwen­dun­gen und inno­va­ti­ve Designs, ins­be­son­de­re für den Ein­satz in Tex­ti­li­en. Das bevor­zug­te Aus­gangs­ma­te­ri­al ist Sili­kon, da sich des­sen Här­te durch che­mi­sche Ver­net­zung sehr gut vari­ie­ren lässt und somit eine her­vor­ra­gen­de Anpas­sung an spe­zi­el­le funk­tio­nel­le Anfor­de­run­gen ermög­licht. Um sen­so­ri­sche oder akto­ri­sche Fähig­kei­ten zu erhal­ten, wird in Teil­kom­po­nen­ten Ruß als leit­fä­hi­ger Bestand­teil ein­ge­bracht. Das Mate­ri­al wird dann zu Elas­to­mer­fo­li­en oder ‑pads ver­ar­bei­tet. Durch Kle­ben oder Nähen kön­nen die Foli­en und Pads in Tex­ti­li­en und Gewe­be inte­griert wer­den. Sie sind preis­wert her­zu­stel­len und hal­ten durch ihre hohe Elas­ti­zi­tät und Fle­xi­bi­li­tät Deh­nun­gen von bis zu 100 Pro­zent stand. Denk­bar ist der Ein­satz die­ser Elas­to­mer­sen­so­ren bei­spiels­wei­se in der gesund­heit­li­chen Prophylaxe.

Druck­mess­strumpf für Diabetiker

Pati­en­ten mit Dia­be­tes lei­den an den Füßen oft­mals an Ner­ven- und Durch­blu­tungs­stö­run­gen; ihr Schmerz­emp­fin­den ist her­ab­ge­setzt. Sie spü­ren im wahrs­ten Sin­ne des Wor­tes nicht, wenn sie der Schuh drückt. Bei gesun­den Men­schen sorgt die Rück­mel­dung der Druck­re­zep­to­ren in den Füßen über die Ner­ven­bah­nen z. B. bei län­ge­rem Ste­hen dafür, dass sich das Gewicht auto­ma­tisch von einem Fuß auf den ande­ren ver­la­gert. Dia­be­ti­ker mer­ken hin­ge­gen nicht, dass ihre Zehen, Fer­sen oder Bal­len zu stark belas­tet wer­den. Der Fuß wird nicht ent­las­tet; unbe­merkt kön­nen Druck­ge­schwü­re ent­ste­hen. Schon klei­ne unebe­ne Stel­len oder der Druck des Schuhs auf den Fuß kön­nen zu offe­nen Wun­den oder Schä­di­gun­gen am Gewe­be führen.

Sen­so­ren im Strumpf­mes­sen den Druck

Damit sich schlecht hei­len­de Wun­den gar nicht erst bil­den, haben For­scher mit Unter­stüt­zung von Indus­trie­part­nern und Kol­le­gen des Fraun­ho­fer-Insti­tuts für Inte­grier­te Schal­tun­gen IIS in Erlan­gen einen Spe­zi­al­strumpf mit inte­grier­ten Sen­so­ren ent­wi­ckelt (Abb. 1). Ins­ge­samt 40 sehr dün­ne dielek­tri­sche Elas­to­mer­sen­so­ren mes­sen lokal die Druck­be­las­tung und ‑ver­tei­lung an medi­zi­nisch rele­van­ten Stel­len am Fuß und über­neh­men so die Funk­ti­on der Ner­ven. Bis­he­ri­ge Sys­te­me sind als Ein­le­ge­soh­len auf dem Markt und mes­sen nur die Druck­ver­tei­lung an der Unter­sei­te des Fußes. Die neu­ar­ti­gen Sen­so­ren hin­ge­gen sind an der Strumpf­soh­le, der Fer­se, den Zehen, dem Fuß­spann und dem Knö­chel ange­bracht und zeich­nen die Signa­le daher am kom­plet­ten Fuß auf. Die For­scher haben den Druck­mess­strumpf bereits zum Patent angemeldet.

Elek­tro­nik über­trägt Daten aufs Smartphone

Die Sen­so­ren bestehen aus einer stark dehn­ba­ren, wei­chen Elas­to­mer­fo­lie, die beid­sei­tig mit hoch­fle­xi­blen Elek­tro­den aus Gra­phit oder Ruß beschich­tet ist. Ver­formt sich die Folie durch Druck oder Deh­nung, ver­rin­gert sich ihre Dicke. Gleich­zei­tig ver­grö­ßert sich dabei die Flä­che. Das Resul­tat: Die elek­tri­sche Kapa­zi­tät erhöht sich mit dem Druck. Steht der Pati­ent bei­spiels­wei­se län­ge­re Zeit auf einer Stel­le, erhöht sich der Druck. Dies erken­nen die Sen­so­ren und schi­cken das kapa­zi­ti­ve Mess­si­gnal über einen leit­fä­hi­gen Faden an eine draht­lo­se Elek­tro­nik, die aus einem ASIC-Chip – kurz für App­li­ca­ti­on Spe­ci­fic Inte­gra­ted Cir­cuit – und einem Con­trol­ler besteht. Ent­wi­ckelt wur­de die Mess­elek­tro­nik von For­schern des IIS. Sie ist so gestal­tet, dass bis zu 40 kapa­zi­ti­ve Sen­so­ren in einem sehr brei­ten Wer­te­be­reich mit hoher zeit­li­cher Auf­lö­sung von bis zu 50 Hz erfasst wer­den kön­nen. Der ASIC nimmt die Mess­da­ten auf, und der Con­trol­ler sen­det die­se per Funk an ein Smart­pho­ne oder Tablet. Die Soft­ware zeigt dann dem Dia­be­tes-Pati­en­ten an, ob er sei­ne Fuß­hal­tung oder Belas­tung ändern soll. Die maxi­ma­len Druck­wer­te wer­den vor­ab durch Ortho­pä­den indi­vi­du­ell am Pati­en­ten durch Ver­gleichs­mes­sun­gen ermit­telt und im Soft­ware­pro­gramm hinterlegt.

Wei­ter­ent­wick­lung des ers­ten Prototyps

Beim ers­ten Pro­to­typ war die star­re und gro­ße Elek­tro­nik noch fest am Strump­fen­de befes­tigt. Der zwei­te Pro­to­typ hat eine Starr-Flex-Lei­ter­pla­ti­ne, in die die Elek­tro­nik inte­griert wur­de. Die­se fle­xi­ble Lei­ter­bahn kann nun am obe­ren Strump­fen­de wie eine Art Strumpf­band in den Strumpf inte­griert wer­den. Zusätz­lich ist die­se neue Elek­tro­nik nun mit einem Blue­tooth-Funk­mo­dul aus­ge­stat­tet, um die Daten kon­ti­nu­ier­lich an mobi­le Emp­fän­ger­ge­rä­te (z. B. Smart­pho­ne oder Tablet) zu sen­den und aus­ge­wähl­te Mess­wer­te wäh­rend des Tra­gens dar­zu­stel­len. Ein Smart­pho­ne-Akku sorgt für eine Betriebs­zeit von min­des­tens 30 Stunden.

Die Elek­tro­nik muss vor dem Waschen abge­nom­men wer­den. Die inte­grier­te Sen­so­rik hin­ge­gen muss bestän­dig gegen Was­ser und Wasch­mit­tel sein. Ers­te Wasch­bar­keits­tests in einer Indus­trie­wasch­ma­schi­ne wur­den mit Wasch­mit­tel bei 60 °C und über 1000 U/min Schleu­der­dreh­zahl an einem Pro­to­ty­po­h­ne ange­schlos­se­ne Elek­tro­nik zehn­mal ohne irgend­wel­che Ver­än­de­run­gen in der Sen­so­rik durch­ge­führt, was dar­auf hof­fen lässt, dass nach wei­te­ren zer­ti­fi­zier­ten Wasch­bar­keits­tests deut­lich mehr Wasch­vor­gän­ge mög­lich sind. Die Sen­so­ren und die elek­tri­sche Kon­tak­tie­rung über­stan­den die­se Wasch­vor­gän­ge ohne Pro­ble­me. Die sili­kon­ba­sier­ten Sen­so­ren und die spe­zi­el­len elas­ti­schen Zulei­tun­gen zei­gen hohe Bestän­dig­keit gegen­über Medi­en aller Art, was einen deut­li­chen Vor­teil gegen­über ande­ren Mess­sys­te­men bezüg­lich Tra­ge­kom­fort und Bean­spru­chung beim Waschen darstellt.

Die Sen­so­rik ist von zwei Lagen Stoff umge­ben, was den An- und Aus­zieh­kom­fort des Strumpfs erhöht. Sie wird durch Nähen oder Kle­ben in das Tex­til ein­ge­bracht. Die Socke selbst besteht aus einem Misch­ge­we­be aus Baum­wol­le und Kunst­fa­ser. Das Mate­ri­al ist atmungs­ak­tiv, feuch­te­re­gu­lie­rend und zeich­net sich durch einen hohen Tra­ge­kom­fort aus. Die Pass­form der ers­ten Pro­to­ty­pen wird beim Über­gang in die groß­se­ri­el­le Strumpf­her­stel­lung noch optimiert.

Wei­te­re Anwen­dun­gen in Schu­hen und Einlagen

Eine wei­te­re Anwen­dung der Sen­so­ren ist die opti­ma­le Anpas­sung von Schu­hen und Ein­la­gen. Die Druck­sen­so­rik kann auch zur zwei­di­men­sio­na­len Druck­mes­sung von bis zu 40 Mess­punk­ten in ortho­pä­di­sche Schu­hein­la­gen inte­griert wer­den. Eine wei­te­re Minia­tu­ri­sie­rung der Elek­tro­nik erlaubt deren Inte­gra­ti­on in die Schuh­soh­le. Damit der Druck­mess­strumpf für Pati­en­ten erschwing­lich wird, müs­sen noch im Detail Ver­bes­se­run­gen erar­bei­tet wer­den, sodass ein Sys­tem­preis um 500 € pro Socken­paar inklu­si­ve Elek­tro­nik und Soft­ware in der Serie mög­lich wird.

Fazit

Indem funk­tio­nel­le, sen­so­ri­sche Klei­dung die Gesund­heits­vor­sor­ge und die Betreu­ung von Pati­en­ten unter­stützt, könn­te sie einen wesent­li­chen Bei­trag zur Kos­ten­ent­las­tung des Gesund­heits­we­sens leis­ten. Ins­be­son­de­re Dia­be­tes­pa­ti­en­ten oder Betrof­fe­nen von Fuß­fehl­stel­lun­gen könn­te mit den in Strümp­fen oder Ein­la­gen inte­grier­ten Sen­so­ren gehol­fen werden.

Der Autor:
Dr. Bern­hard Brunner
Pro­jekt­lei­ter im Cen­ter Smart Mate­ri­als CeSMa
Fraun­ho­fer-Insti­tut für Sili­cat­for­schung ISC
Neu­ner­platz 2
90782 Würz­burg
bernhard.brunner@isc.fraunhofer.de

Zita­ti­on
Brun­ner B. „Wenn der Schuh drückt“ – Tex­til­sen­so­ren für ortho­pä­di­sche Anwen­dun­gen. Ortho­pä­die Tech­nik, 2016; 67 (11): 40–41

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