Fortschritt in der Medizintechnik Sensoren erfassen willkürliche Gedanken

Das Sensorarray mit kombinierter Drucksensorik wird in den Prothesenschaft integriert. (© Fraunhofer IPA)

Forscher des Fraunhofer IPA haben ein sensorbasiertes Steuerungssystem entwickelt, das auf willkürliche Gedanken des Menschen reagiert. Damit lässt sich z.B. eine Prothese wie ein natürliches Bein bewegen. Dabei helfen Sensoren, die Signale an den verbleibenden Muskeln abgreifen und diese in Echtzeit in eine entsprechende Bewegung der Prothese umwandeln.

Waren Treppenstufen für unterschenkelamputierte Menschen bislang eine mühsame Angelegenheit, so haben die Wissenschaftler des Stuttgarter Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung IPA nun eine Lösung parat: Eine Beinprothese, die mittels spezieller Sensorik natürliche Bewegungsabläufe ausführt, über die der Träger nicht nachdenken muss, weil das Gehirn die Muskeln willkürlich steuert.

Hinter dem System steckt eine ausgeklügelte Technik: Im Schaft der Prothese befindet sich ein Array aus Sensoren, das sämtliche Aktivitätssignale der verbliebenen Beinmuskeln misst. Daraus bestimmt das System anhand von Signalmustern das ideale Muskelsignal. »Das heißt, es muss den Wunsch des Prothesenträgers erkennen«, erklärt Projektleiter Harald von Rosenberg. »Gleichzeitig registrieren die Sensoren aber auch, in welchem Bewegungszustand sich der Prothesenträger gerade befindet. Die Prothese weiß also quasi, ob ihr Träger gerade sitzt oder liegt, steht, geht oder rennt. Oder ob er sich gerade bückt oder sich hinkniet.« Dabei helfen Drucksensoren, die wie ein Sandwich unter den elektronischen Sensoren liegen und zum Beispiel erkennen, dass der Träger gerade sein gesamtes Gewicht auf das Prothesenbein verlagert hat.

Beide Informationen – also Muskelaktivitätssignal und Bewegungszustand – verwandelt das System in ein so genanntes Willkürsignal. Dieses Signal löst die richtige Bewegung der Prothese aus und passt auch etwa deren aktuelle Dämpfung an die Bewegung an. Der Clou an dem System: Die Bestimmung des Willkürsignals erfolgt in Echtzeit. »So nähert sich die Verwendung künstlicher Extremitäten immer mehr dem natürlichen Bewegungsablauf«, sagt von Rosenberg.

Die Forscher sehen aber noch viele weitere Anwendungsmöglichkeiten für ihre Erfindung, denn es handelt sich um eine Mensch-Maschine-Schnittstelle, die etwa bei der Bedienung von Geräten große Fortschritte bringen könnte. Jogger, die bei der morgendlichen Runde im Park auf Musik nicht verzichten wollen, hätten zum Beispiel ein leichteres Spiel: Anstatt umständlich während des Laufens nach den Knöpfen des MP3-Players in der Hosentasche zu tasten, spannen sie einfach den Muskel im Oberarm, und das nächste Lied ertönt. Wie die Steuerung funktioniert, werden die Forscher auf der Messe Sensor+Test 2010 an einer Flippermaschine demonstrieren: Sensoren, die auf den Unterarm geklebt werden, registrieren die Muskelanspannung des Spielers. So steuert er, ohne Knöpfe drücken zu müssen, mit der Kraft seiner Gedanken willkürlich die Kugel.