Leichte Kleinantriebe Beinprothese mit Kleinantrieben und variabel gesteuerter Dämpfung

Wie beim natürlichen Bein kann bei der, mit einem Mikroprozessor gesteuerten Prothese, automatisch auf aktuelle Gegebenheiten reagiert werden. Leichte Kleinantriebe in Verbindung mit intelligenter Steuerung bieten dabei ein dem natürlichen Bewegungsablauf sehr nahe kommendes Laufgefühl.

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Wenn es bei Verlust von Gliedmaßen, z.B. bei Beinamputation darum geht, technischen Ersatz zu finden, rücken zwei Tatsachen in den Vordergrund: Zum einen hatte die Natur lange Zeit, um dem Menschen einen optimalen Bewegungsapparat anzupassen. Zum andern ist der Mensch ein Gewohnheitstier, was er von klein auf kennt, möchte er beibehalten. Bisherige Lösungen vom klassischen Holzbein bis hin zu Hightech-Prothesen aus modernen Werkstoffen arbeiten alle auf rein passiver Basis. Die Funktion lässt sich nicht während der Bewegung verändern. Einen neuen Ansatz bringt nun eine mit einem Mikroprozessor gesteuerte Prothese. Wie beim natürlichen Bein kann hier automatisch auf aktuelle Gegebenheiten reagiert werden. Leichte Kleinantriebe in Verbindung mit intelligenter Steuerung bietet so ein dem natürlichen Bewegungsablauf sehr nahe kommendes Laufgefühl. Sicherheit und Komfort für den Träger erhöhen sich drastisch.

Kleinantriebe im extremen Einsatz

Eine Prothese ist immer eine komplexe, individuell anzupassende medizinische Hilfe. Andererseits kann man technische Komponenten aber nur in höherer Stückzahl wirtschaftlich fertigen. Für den Prothesenspezialisten Otto Bock aus Wien war daher klar: Eine neue, fortschrittliche Prothese muss weltweit einsetzbar sein und unter allen denkbaren Umgebungsbedingungen beste Trageeigenschaften bieten. Die Lösung war darum eine so genannte aktive Prothese. Ihr Erfolg beruht auf dem zuverlässigen und reibungslosen Zusammenspiel von Mechanik, Elektronik und ausführenden Aktoren. Hier holten die Prothesenentwickler den Kleinantriebsexperten Faulhaber mit ins Team. Dank langjährigem Know-how auf dem Gebiet der Kleinmotoren war so eine zuverlässige, maßgeschneiderte Antriebslösung für die Prothese schnell gefunden.

Der Natur nachempfunden

Die Prothese wird als Grundkörper geliefert und kann durch den Orthopädie-Spezialisten vor Ort individuellauf die Körpermerkmale abgestimmt werden (Bild 1). Das ist heute bei gehobenen Prothesen Standard. Die neue Laufhilfe aber empfindet das natürliche Laufgefühl elektromechanisch nach. Laufen bedeutet nicht „einfaches Beinschwingen“. So ist eine Prothese unbrauchbar, die das klassische Holzbein einfach durch ein Scharnier als Kniegelenk erweitert. Die Natur dämpft über Sehnen und Muskeln die Gelenkfunktion bei jedem Schritt individuell ab. So kann der Mensch trotz unterschiedlichster Belastung wie Gehen, Laufen, Radfahren oder Stehen optimal sein Gewicht und seine Kraft einsetzen. Diese Vorgänge laufen alle unbewusst und teilweise sogar reflexartig ab, also sehr schnell.

Die natürliche Dämpfung technisch nachzuempfinden bedeutet daher einen hohen elektronischen und mechanischen Aufwand.

Erheblicher Sicherheitsgewinn

Dank moderner Prozessortechnik mit hoher Rechenleistung, miniaturisierter Präzisionssensorik und Mikromechanik bei Antrieb und Bewegungsapparat ist dies heute mit dem entsprechenden Know-how aber durchaus möglich. Mit kompakter Prothesentechnik kann der Prothesenträger ohne große zusätzliche Aufmerksamkeit schnell oder langsam gehen (Bild 2), laufen, Steigungen überwinden oder Rad fahren (Bild 3). Zusätzlich ergibt sich ein erheblicher Sicherheitsgewinn, da das Kniegelenk unmittelbar auf Gangänderung oder Bodenunebenheiten reagiert. Selbst beim Stolpern verhindert die Echtzeitelektronik zuverlässig das Einknicken der Prothese. Als Langzeiteffekt verbessert die mitdenkende Prothese die Gesundheit des Trägers, übermäßige Verschleißerscheinungen an den übrigen Gelenken oder Probleme durch falsche Haltung und damit größerer Belastung des gesunden Beins werden zuverlässig vermieden.

Praxistaugliche Ausführung

Nur eine fein abgestufte Reaktion der Prothese auf die bei jedem Schritt auftretenden Veränderungen lässt einen natürlichen Bewegungsablauf zu. Um dies zu gewährleisten, melden hochsensible Sensoren 50 mal pro Sekunde in welcher Phase und Belastungszustand sich der Prothesenträger gerade befindet. Ein Kniewinkelsensor liefert dabei Informationen für die dynamische Steuerung, Kraftmesszellen im Unterschenkelrohr erfassen die Daten von Fersenauftritt und Vorderfußlast. Ein leistungsfähiger Prozessor verarbeitet dann diese Eingangsdaten und gibt Steuerungsbefehle an die Dämpfungsmechanik aus.

Als besonders geeignet hat sich eine hydraulische Dämpfung erwiesen. Mit ihr können die nötigen Dämpfungswerte schnell und sehr gut abgestuft umgesetzt werden. Als Bindeglied zwischen Elektronik und Dämpfungsmechanik setzen die Prothesenspezialisten auf bewährte Technik: einfach ansteuerbare DC-Kleinantriebe. Die mit Edelmetallbürsten ausgestatteten Kleinmotoren bieten hohe Leistung auf kleinem Raum. Dank hohem Motorwirkungsgrad sind auch bei begrenzter Kapazität des Lithium-Akkus in der Prothese lange Laufzeiten bis über 2 Tage möglich ohne nachzuladen.Im vorliegenden Fall arbeiten die hochdynamischen 10-mm-Antriebe (Bild 4) über ein Reibradgetriebe auf eine Planetengetriebestufe. Dieses Rad verstellt dann das eigentliche Dämpfungsventil. Pro Schritt wird so die Dämpfung von hoch maximal auf fast null und wieder zurück verstellt.

Robust im Nehmen

Alle Komponenten müssen die Dauerbelastung über Jahre und damit Millionen Schritten vertragen. Da immer nur sehr kurze Steuerungsimpulsenötig sind, ist das für die Edelmetall-DC-Motoren kein Problem. Der weltweite Einsatz der Prothese stellt jedoch erhebliche Anforderungen an die Technik. So sind Einsatztemperaturen von -15 °C bis +65 °C ohne weiteres möglich. Ebenso muss sie alle Klimazonen der Erde sicher vertragen von trocken bis feucht, salzhaltige Luft ebenso wie feinsten Wüstenstaub. Alle relevanten Elemente sind daher in sich und teilweisezusätzlich noch speziell in einem Gehäuse gekapselt.

Trotz robuster und gekapselter Bauteile müssen bei medizinischen Geräten auch ernste Störfälle, sprich Ausfall aller Komponenten (z.B. wegen leerer Akkus) berücksichtigt werden. In diesem Fall geht die Prothese auf höchste Dämpfung und garantiert damit eine absolut sichere Notfunktion als „quasi Holzbein“. So ist der Träger immer in der Lage, sich fortzubewegen, lediglich der Komfort sinkt. Alle Dämpfungsstufen zwischen fast null und höchster Stufe lassen sich über die Einstellsoftware C-Soft individuell durch den zertifizierten Orthopädietechniker festlegen. Auch kann der Träger zwischen zwei grundsätzlichen Einstellungen selbst wählen beispielweise der optimalen Gehfunktion im einen und Radfahren im anderen Modus. Im ersten Fall verbessert eine aktive Standphasendämpfung das Stand/Gehvermögen, im Radfahrmodus ist diese ausgeschaltet. Auch Einstellungen für Inline-Skaten, Skilanglauf und andere Einsatzfelder sind möglich.

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