Neues Sensor-System soll Prothesen-Steuerung verbessern

Ein neues, von Technikern der Johannes Kepler Uni­versi­tät Linz ent­wickeltes Sensor-System soll die Steuerung von Prothesen ver­bessern, die auf Nerven­impulse reagieren. Im Ver­gleich zu derzeit ein­ge­setzten Elek­troden sind die neuen Linzer Sensoren weniger fehler­anfällig und bequemer zu tragen. Die Forscher haben zudem Algo­rithmen ent­wickelt, die besser Stör­signalen erkennen können, berichten sie im Fach­journal "Sensors".

Sogenannte myoelektrische Prothesen erfassen jene elek­trischen Signale, die ent­stehen, wenn bestimmte Muskeln ange­spannt werden. Diese Impulse sind auf der Haut messbar, werden von Elek­troden im Prothesen­schaft erfasst und umge­wandelt, um die Elektro­motoren der Prothese zu steuern. So kann man etwa durch das Anspannen eines bestimmten Muskels eine Armp­rothese dazu bringen, die künst­lichen Finger zu schließen.

Bisher starre Elektroden verwendet

Derzeit werden für solche Prothesen leit­fähige Elek­troden verwendet.

"Das Problem dabei ist, dass diese erst das Signal auf der Haut erfassen können, wenn ein Schweiß­film vorhanden ist - das funktio­niert gleich nach dem Anlegen der Prothese schlecht oder gar nicht", beschreibt Theresa Roland vom Institut für Medizin und Biomechatronik der JKU Linz.

Auch zu starkes Schwitzen kann zu Fehl­funk­tionen der leit­fähigen Elek­troden führen, ebenso ein Ver­rutschen, zu starke Erschüt­terungen oder ein Handy­signal. Zudem müssten solche Sensoren fest auf die Haut gepresst werden, was zu Druck­stellen vor allem bei Menschen mit Durch­blutungs­störungen führen kann. Im Gegen­satz zu den starren leit­fähigen Elek­troden passen sich die von Roland im Rahmen ihrer Doktor­arbeit in Koope­ration mit dem Unter­nehmen Otto Bock Health­care Products in Wien ent­wickelten Sensoren dem Körper an, machen Bewe­gungen mit und sind damit deutlich bequemer zu tragen.

Völlig neues Messprinzip

Rolands Sensorsystem beruht auf einem völlig anderen Mess­prinzip. Es handelt sich dabei um soge­nannte "kapazi­tive Sensoren" die aus iso­lierendem und leit­fähigem Material auf­gebaut sind. Auf der Haut selbst liegt die Isolier­schicht des Sensors. Dadurch benötigt dieser keine leit­fähige Ver­bindung zum Körper, also etwa einen Schweißfilm.  

Die Biomechatronikerin hat die Sensoren physi­kalisch so opti­miert, dass sie sehr gute Signale liefern und Stö­rungen kaum noch regis­trieren. Ein von ihr ent­wickelter Algo­rithmus kann zudem besser zwischen dem Signal einer Muskel­kon­traktion und einem Stör­signal unter­scheiden - und kann auch für die derzeit einge­setzten leit­fähigen Elek­troden genutzt werden.

"Das System wurde so gestaltet, dass es schnell funktioniert und der Patient keine Ver­zögerung zwischen Muskel­signal und Bewegung der Prothese bemerkt", betont Werner Baumgartner, Vorstand des Instituts für Medizin und Biomechatronik der JKU Linz.

Die neuen Sensoren wurden bisher an gesunden Pro­banden getestet, ein Proto­typ sei aber fertig und die Sensoren wären einsetz­bar, betonte die For­scherin. In einem nächsten Schritt hat sie mittels Künst­licher Intelli­genz Modelle trainiert, die zwischen Stör- und Nutz­signalen noch besser unter­scheiden können. Eine ent­sprechende wissen­schaft­liche Arbeit ist bereits eingereicht.