Myoelektrische Armprothesen

Inhaltsverzeichnis

1. EINLEITUNG

2. ABGRENZUNG MYOELEKTRISCHER PROTHESEN ZU ANDEREN PROTHESENARTEN
2.1 KOSMETISCHE ARMPROTHESE
2.2 ZUGBETÄTIGTE ARMPROTHESEN
2.3 MYOELEKTRISCHE ARMPROTHESEN

3. MYOELEKTRISCHE PROTHESENSTEUERUNG
3.1 SIGNALÜBERTRAGUNG
3.2 SIGNALAUFNAHME
3.3 SENSORISCHE RÜCKKOPPLUNG
3.4 ENERGIEVERSORGUNG

4. SCHAFTTECHNIK

5. GRÜNDE DIE DEN EINSATZ MYOELEKTRISCHER PROTHESEN BEHINDERN

6. ANHANG
6.1 ABBILDUNGSVERZEICHNIS
6.2 ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS
6.3 LITERATURVERZEICHNIS

1. Einleitung

Myoelektrische Prothesen sind künstliche Gliedmaßen für Menschen mit Unter- oder Ober-armamputationen, die ihren Trägern die Funktionalität ihres verlorenen Armes oder der ver-lorenen Hand teilweise ersetzt.

Der Ersatz der oberen Extremitäten ist zum Vergleich zu den unteren Extremitäten mit we-sentlich mehr Schwierigkeiten verbunden. Zum einen ist die Zahl der Bewegungsmuster grö-ßer, zum anderen muss die einzelne Prothesenfunktion wie Greif- oder Ellenbogenbewegung über die notwendige Energie verfügen. Die Stumpf- und Massenkräfte reichen für diese Funk-tionen nicht aus. In der heutigen Zeit werden die Bewegungen der Prothesen nicht mehr un-mittelbar durch Muskelkraft erzeugt, sondern nur vom Muskel gesteuert. Je nachdem, ob kör-pereigene Energiequellen, d.h. verbliebene Muskeln oder äußere Energiequellen, z.B. Batterie mit Motor, zur Betätigung der Prothesen genutzt werden, unterscheidet man körper-kraftgetriebene und fremdkraftgetriebene Prothesen. Myoelektrische Prothesen, die zu den Fremdkraftprothesen gehören, nutzen die elektrischen Potenziale der verbliebenen Mus-kulatur des Stumpfes zur Steuerung der Prothesenfunktionen.

Eine fertige Prothese besteht aus dem Innenschaft (Stumpfbettung), dem Außenschaft (form-gebende Hülle) und den Systembauteilen wie z.B. System-Elektrohand, Ellbogenpassteil, Ak-ku, etc.

Erstmals wurde 1980 auch die Bezeichnung „bionic arm“ benutzt. Der Begriff „Bionik“ leitet sich im deutschen Sprachraum von „Biologie“ und „Technik“ ab. Neue Leichtbauweisen, leistungsfähigere Komponenten, Mikroprozessoren und neue Methoden der Signal-verarbeitung ermöglichen heute was vor 20 Jahren noch nicht als möglich galt.¹ Gerade hier-für sind die myoelektrischen Prothesen unabdingbar. Zukünftig sollten sie zusätzliche Bewe-gungsmöglichkeiten bieten, sich möglichst intuitiv steuern lassen und eine natürliche statische und dynamische Kosmetik aufweisen.

Für die Weiterentwicklung myoelektrischer Prothesen sind die Patientenbefragungen beson-ders wichtig. Diese ergaben:

- „schnellere Greifgeschwindigkeit,
- natürlichere Formen, Farbtöne und Bewegungen der Armprothesen,
- leichteres Gewicht,
- größere Kapazität der Akkus,
- einen schmutzabweisenden, leicht zureinigenden kosmetischen Schutzhandschuh,
- die Kraft, mit der die Armprothese zugreift, sollte gespürt werden können und
- die Armprothese sollte zusätzliche Bewegungen und Griffarten ermöglichen.“² 2. Abgrenzung myoelektrischer Prothesen zu anderen Prothesenarten

Um diverse Prothesenarten vorzustellen, wird sich in dieser Arbeit ausschließlich auf die Fir­ma Otto Bock bezogen. Welche Prothese für welchen Patient wann in Frage kommt, wird im Rahmen einer Zustandserhebung ermittelt, in der spezifische Anforderungen und individuelle Gegebenheiten eines Patienten überprüft werden. Die Zustandserhebung bildet die Basis für die weitere individuelle Versorgung.

Die Prothesenversorgung wird bei Otto Bock in drei Grundtypen eingeteilt:

2.1 Kosmetische Armprothese

Kosmetische, so genannte passive Armprothesen wer-den von Menschen getragen, für die das äußere Er-scheinungsbild von großer Bedeutung ist. Neben der rein ästhetischen Funktion hilft diese Prothese auch im Alltag. Gegenstände können mit ihr abgestützt und bei bestimmten Tätigkeiten als Gegenhalt benutzt werden. Durch den Verzicht auf aktive Steuerelemente hat sie ein besonders niedriges Gewicht, was bei hohen Am-putationshöhen von großer Bedeutung ist.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: kosmetische Armprothese

Quelle: www.gluaserag.ch³

2.2 Zugbetätigte Armprothesen

Zugbetätigte Armprothesen sind Eigenkraftprothesen. Die Prothesenfunktion wird über die eigenen Körper-kräfte z.B. des Stumpfes und/oder des Schultergürtels gesteuert. Über eine Kraftzugbandage, die meist vom Prothesenarm über den Rücken zur Schlaufe um die gesunde Schulter verläuft, wird die Bewegung an der Prothese eingeleitet. Durch die Bewegungsübertragung mittels Eigenkraft bekommt der Patient über die Kraft-zugbandage ein Gefühl für die Bewegung.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: zugbetätigte Armprothese

Quelle: www.gluaserag.ch⁴

Vorteil: - einfache Mechanik

- günstige Anschaffungskosten
- geeignet für Personen , die im Wasser hantieren

Nachteil: - unnatürliche Bewegungen

- gewöhnungsbedürftige Kraftzugbandagen
- stark eingeschränkte Griffkraft

2.3 Myoelektrische Armprothesen

Myoelektrische Armprothesen sind Fremdkraft-prothesen, das heißt, sie werden nicht über die Mus-kelkraft des Patienten, sondern mit Hilfe elektrischer Energie getrieben. Diese Prothesen werden häufig auch EMG-Prothesen (elektromyographische) ge-nannt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: myoelektrische Armprothese

Quelle: www.gluaserag.ch⁵

Vorteil: - geeignet für Personen, die keine Eigenkraftprothese steuern können oder

wollen

- hohe Griffkraft bei geringer Eigenkraft
- Minimalisierung der unphysiologischen Bewegungen

Nachteil: - hohes Gewicht

- hohe Anschaffungskosten
- kann nicht in Feuchträumen eingesetzt werden

3. Myoelektrische Prothesensteuerung

Zur Steuerung der elektrischen Prothesen haben sich in der Vergangenheit 2 Methoden etab-liert.

Die Steuerung von myoelektrischen Prothesen erfolgt mit Hilfe von Elektroden, die direkten Hautkontakt haben. Dabei werden myoelektrische Prothesen über die elektrischen Potenziale der verbliebenen Muskeln (Beuger- und Streckermuskulatur) gesteuert. Im Gegensatz dazu werden bei anderen Fremdkraftprothesen zur Steuerung der aktiven Bauelemente auch Druck-sensoren oder Miniaturschalter eingesetzt. Die Elektroden sind nicht-invasiv und arbeiten zuverlässig. Bei einem Defekt können die Elektroden leicht ausgewechselt werden. Allerdings ist pro Gelenk, das aktiv bewegt werden soll, jeweils eine Muskelgruppe erforderlich, die willkürlich und unabhängig von anderen Muskelgruppen kontrahierbar sein sollte. In der Pra­xis haben sich 1–2 Elektroden bewährt.⁶ Technisch sind Prothesen mit 6 Steuerungsebenen seit kurzem realisiert.

Vereinfacht dargestellt entsteht bei jeder Kontraktion eines Muskels (auch die erhaltene Rest-muskulatur nach einer Amputation) aufgrund biochemischer Vorgänge eine elektrische Span-nung im Mikro-Volt-Bereich, die auf der Haut gemessen werden kann. Die geringe Spannung wird verstärkt und als Steuersignal an die Prothese weitergegeben.⁷ Durch die Cokontraktion beider Muskeln kann zwischen zwei Bewegungen umgeschaltet werden. Auf dieser Weise können gleiche Muskeln zur Steuerung weiterer Bewegungen verwendet werden. So im Fall der Otto Bock-Prothese zur Drehung der Handgelenks.⁸

3.1 Signalübertragung

Die Reizübertragungssysteme des menschlichen Körpers basieren auf chemische und elektri-sche Prozesse. Reizweiterleitungen innerhalb von Nerven- oder Muskelfasern erfolgen auf der Basis von Aktionspotenzialen (elektrische Übertragung). Die Aktionspotenziale der Muskel-fasern dienen als Signalüberträger. Als myoelektrische Spannung wird die Potenzialdifferenz zwischen der aktuellen Größe des Aktionspotenzials und dem Ruhepotenzial einer Muskelzel-le bezeichnet. Jedoch wird das gemessene Summensignal als myoelektrische Spannung be nannt, da das Anspannen eines Muskels auf der Kontraktion mehrere Muskelzellen und - fasern beruht. Die Messung findet oberflächlich oder intramuskulär mittels Nadel-Elektroden statt. Myoelektrische Signale können intramuskulär direkt gemessen werden, wobei oberflä-chige Ableitungen zu qualitativ minderwertigen Signale führen. Hier wird nur ein Summen-signal aus mehreren Muskelfasern und/oder Muskelgruppen gemessen. Das Gewebe zwischen Muskel und Sensor wirkt als Filter für hohe Frequenzanteile. Die oberflächliche Abtastung schränkt den auswertbaren Frequenzbereich myoelektrischer Signale auf ca. 10 bis 1000Hz ein.⁹ Sollten Läsionen abgegriffener Muskelgruppen vorhanden sein, verschlechtert sich die Signalqualität und für die Interpretation der Signale gehen wichtige Informationen verloren. Allerdings haben laut Reischl (2006) Untersuchungen mit subkutanen bzw. implantierten Elektroden am kurzen Amputationsstumpf bei der Ansteuerung von Prothesen keine signifi-kanten Vorteile gegenüber Oberflächensensoren gezeigt. Ein großer und nicht unbeachtlicher Nachteil der Nadel-Elektroden ist die erhöhte Gefahr der Infektion.

Um Oberflächen-EMG-Sensoren einsetzten zu können, erfordert es die Abtastung ober-flächennaher Muskelgruppen.

3.2 Signalaufnahme

Um bewusste Aktionen des Trägers auszuwerten und zu interpretieren, kommen Mensch-Maschinen-Schnittstellen (Man-Machine-Interface: MMI) zum Einsatz.

„Als Mensch-Maschine-Schnittstelle werden alle wahrnehmbaren Komponenten eines techni-sche Systems (kurz: Maschine) bezeichnet, die der Kommunikation mit ihren Benutzern die-nen. Die notwendigen Funktionen sind dabei nach ergonomischen Gesichtspunkten auf Mensch bzw. Maschine zu verteilen.“¹⁰

Bei myoelektrischen Prothesen, insbesondere bei funktionellen Handprothesen, setzt MMI die Kontraktion der Armstumpfmuskulatur des Patienten/Anwender in eine Bewegung der Pro-these um. Dies erfolgt nach einem im MMI enthaltenen vorgegebenen Schema. Der Träger einer EMG-Prothese muss in der Lage sein, seine Stumpfmuskulatur bewusst oder unbewusst zu kontrahieren, um dem MMI eine einheitliche Auswertung zu ermöglichen. Das Schema zur Kommunikation zwischen Mensch und Maschine ist in Abbildung 4 dargestellt.

Die Mensch-Maschine-Schnittstelle erfasst menschliche Aktionen in Form von Sensor-signalen, die aus den Kontraktionen der Muskeln des verbliebenen Armstumpfes gewonnen werden und macht sie der Maschine in Form von Steuersignalen verfügbar. Die Umwandlung der Sensorsignale in Steuersignale erfolgt durch eine Biosignalanalyse, bei der die auf genommenen Signale bewertet und interpretiert werden.

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¹ vgl. Pylatiuk (2006)

² Zitat aus: Bionische Armprothesen von C. Pylatiuk, Zeitschrift: Der Orthopäde, Volumen 35, Number 11/ No-vember 2006, Seite 1169-1175, Springer Verlag/ Heidelberg

³ Quelle: http://www.glauserag.ch/produkte/prothesen.html?untergruppe=86&titel=Arm-Prothesen, download: 01.02.2009

⁴ Quelle: http://www.glauserag.ch/produkte/prothesen.html?untergruppe=86&titel=Arm-Prothesen, download: 01.02.2009

⁵ Quelle: http://www.glauserag.ch/produkte/prothesen.html?untergruppe=86&titel=Arm-Prothesen, download: 01.02.2009

⁶ vgl. Pylatiuk (2006)

⁷ vgl. Bock-DynamicArm®

⁸ vgl. Reischl (2006)

⁹ vgl. Reischl (2006)

¹⁰ Zitat aus: Ein Verfahren zum automatischen Entwurf von Mensch-Maschine-Schnittstelle am Beispiel myoe-lektrischer Handprothesen von Markus Reischl, Dissertation 2005, Universität Karlsruhe