Gut auf den Beinen

Nach zwölf Stufen ist er am Ziel. Ganz ohne fremde Hilfe und relativ flott – für Florian ein kleines Wunder, denn eigentlich hat er kein rechtes Bein. Er ist ein Unter­schen­kel­am­pu­tierter, wie es unter Medizinern heißt. Florian trägt eine Prothese, die sein Leben enorm verein­facht hat.

Früher waren Treppen­stufen eine sehr mühsame und holprige Angele­genheit. Jetzt kann Florian die Prothese viel feiner steuern. Und willkürlich – so wie es auch bei Menschen mit zwei Beinen funktio­niert: Gehen, Rennen, Treppen­steigen sind natür­liche Bewegungs­ab­läufe, über die man nicht bewusst nachdenken muss, weil das Gehirn die Muskeln willkürlich steuert. So können diese zum richtigen Zeitpunkt und in der richtigen Inten­sität kontra­hiert werden.

Die Verwendung von künst­lichen Extre­mi­täten nähert sich immer mehr dem natür­lichen Bewegungsablauf.

Forscher des Fraun­hofer-Instituts für Produk­ti­ons­technik und Automa­ti­sierung IPA in Stuttgart stellen auf der Messe Sensor+Test 2010 ein Steue­rungs­system vor, mit dem Prothe­sen­träger das künst­liche Bein willkürlich steuern können. Im Schaft der Prothese sitzen Sensoren, die Signale an den verblei­benden Muskeln abgreifen und in eine entspre­chende Bewegung der Prothese umwandeln. Bisherige Prothesen mit Willkür­steuerung hatten einen entschei­denden Nachteil: Spannt ein Träger etwa im Sitzen unbewusst einen Beinmuskel an, reagiert das Kunstbein darauf und das Kniegelenk der Prothese streckt sich. Unbeab­sich­tigte Bewegungen mögen manchmal vielleicht komisch aussehen, auf der Treppe etwa kann ein unkon­trol­liertes Beinaus­schlagen aber auch zur Gefahr für Menschen wie Florian werden. Auch plötzlich auftau­chende Hinder­nisse wie etwa eine Türschwelle sind für den Betrof­fenen ein Problem, wenn er sie nicht recht­zeitig erkennt. Denn nur dann kann er die Prothe­sen­be­wegung entspre­chend abstimmen.

Druck­sen­soren helfen bei der Gewichtsverlagerung
“Unser neues Steue­rungs­system merzt diese Gefah­ren­quellen aus und ermög­licht eine wesentlich intui­tivere Kontrolle”, sagt Projekt­leiter Harald von Rosenberg. 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 muss das System anhand von Signal­mustern das ideale Muskel­signal bestimmen. “Das heißt, es muss den Wunsch des Prothe­sen­trägers erkennen”, erklärt 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 Amputierte gerade sein gesamtes Gewicht auf das Prothe­senbein verlagert hat.

Beide Infor­ma­tionen – also Muskel­ak­ti­vi­täts­signal und Bewegungs­zu­stand – verwandelt das System in ein sogenanntes 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 von künst­lichen Extre­mi­täten immer mehr dem natür­lichen Bewegungs­ablauf”, sagt von Rosenberg.

Muskeln anspannen und das nächste Lied ertönt
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, demons­trieren die Forscher auf der Messe Sensor+Test 2010 an einer Flipper­ma­schine. 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.