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Projektbeispiel: Patientenassistives System

Innovative dynamische Orthese soll Menschen mit Schulterbeschwerden unterstützen

Die Mobilität der oberen Extremität ist von zentraler Bedeutung für die Bewältigung von Aufgaben in Haushalt, Beruf oder Freizeit. Die ZHAW School of Engineering entwickelt ein patientenassistives System, welches Menschen mit Schulterbeschwerden im Alltag helfen kann.

Das Institut für mechanische Systeme (IMES) entwickelt eine innovative dynamische Orthese für die obere Extremität. Das Projekt verlangt Kenntnisse des muskuloskelettalen Systems des menschlichen Körpers, verknüpft mit fundiertem Wissen in der Entwicklung eines mechanisch-elektrischen Prototypen. Als aktives Medizinprodukt müssen auch Fragestellungen bezüglich Zulassung und Ethik behandelt werden.
Das interdisziplinäre Projekt wird durch das Institut für Physiotherapie (IPT) des Departements Gesundheit unterstützt. Ein Teil der wissenschaftlichen Untersuchungen wird im Rahmen einer Masterarbeit im Studiengang Physiotherapie im Bewegungslabor des IPT durchgeführt.

Unterstützung im Alltag

Mehr als 15% der Gesamtbevölkerung sind von Schulterbeschwerden betroffen, unter den älteren Menschen steigt die Zahl der Betroffenen sogar auf bis zu 27%. Am häufigsten ist die Ursache der Beschwerden eine Erkrankung oder Verletzung der Rotatorenmanschette. Die Rotatorenmanschette besteht aus vier Muskeln, welche das Schultergelenk stabilisieren und mobilisieren. Ein Riss der Rotatorenmanschette führt zu reduzierter Muskelfunktion in der Schulter und infolgedessen zu einem eingeschränkten Bewegungsumfang. Die Auswirkungen sind gravierend, der eingeschränkte Bewegungsumfang erschwert die Bewältigung von Alltagsaufgaben auf Kopfhöhe deutlich.

Das patientenassistive System (PAS) für das Schultergelenk kann diesen Menschen im Alltag helfen, damit sie ihren Haushalt wieder selbstständiger führen können. Die postoperative Rehabilitation, z.B. nach der Implantation einer Schulterprothese oder die Neurorehabilitation von Schlaganfallpatienten sind ebenfalls denkbare Anwendungsgebiete.

«Eine funktionelle Beeinträchtigung der oberen Extremität schränkt die Selbstständigkeit der Patienten stark ein. Das PAS soll dabei als Unterstützung, aber nicht als Ersatz der körpereigenen Funktionen verstanden werden.»

Prof. Dr. Bernd Heinlein, Projektleiter, Institut für Mechanische Systeme (IMES)

Gegenwärtiger Prototyp: PAS Mono

Das PAS Mono unterstützt den Benutzer beim Anheben des Armes gegen die Schwerkraft, jedoch ohne die vorhandene Muskelkraft zu ersetzen. Das System ist vollständig portabel, damit es im Alltag bei anfallenden Tätigkeiten eingesetzt werden kann.

Der Prototyp wird mittels Hüftgurt am Körper getragen, der Oberarm der betroffenen Schulter wird über eine Armschiene mit dem PAS Mono verbunden. Das System unterstützt bis zu 120° Flexion und Abduktion. Angetrieben wird das PAS Mono durch einen einzigen Elektromotor, die Steuerung erfolgt über Oberflächen-Elektromyographie (EMG). Dabei misst das System die Muskelaktivität des Deltamuskels und passt den Unterstützungsgrad entsprechend an. Das PAS Mono ist batteriebetrieben und wiegt rund 2.5 kg.

Erste praktische Versuche

Funktionstests mit gesunden Probanden haben gezeigt, dass das PAS Mono erfolgreich eingesetzt werden kann. Die Probanden können das System unter der Annahme einer eingeschränkten Seite selbständig an- und ausziehen. Nach einer kurzen Eingewöhnungsphase konnten die Probanden das System intuitiv über ihren Deltamuskel steuern. Der Bewegungsumfang für gängige Aktivitäten des täglichen Lebens kann mit dem PAS Mono erreicht werden. Das PAS Mono ist besonders nützlich bei Tätigkeiten auf Kopfhöhe.

Wissenschaftliche Untersuchungen

In einer nicht bewilligungspflichtigen Studie haben Gesundheitsfachkräfte (z.B. Physio- und Ergotherapeuten) das PAS Mono getestet und hinsichtlich seiner Eignung und Einsatzmöglichkeiten bei Schulterpatienten beurteilt.

In einer gemäss HFV durch die KEK ZH genehmigten Studie wurden 20 Schulterpatienten gemessen. Untersucht werden die Aktivitätsmuster verschiedener Schultermuskeln während funktionellen Bewegungen. Die Muskelaktivität wird dabei in Abhängigkeit der Schulterposition ausgewertet. Ebenfalls analysiert werden Ausweichbewegungen sowie kompensatorische Muskelaktivitäten. Neben den quantitativen Datenaufnahmen werden in einer Befragung die Meinung und Eindrücke der Patienten zum PAS erfasst.

Basierend auf den Erkenntnissen der Studien, welche Mitte 2017 erwartet werden, wird das PAS weiterentwickelt.

«Das Ziel bei der Entwicklung des PAS ist es, einen nahezu selbstverständlichen Umgang der Patienten mit einem technischen Unterstützungssystem zu ermöglichen.»

Prof. Dr. Bernd Heinlein, Projektleiter, Institut für Mechanische Systeme (IMES)

Fortführung des Projekts und kommerzielle Umsetzung

Das Projektteam ist vom Potenzial eines patientenassistiven Systems für das Schultergelenk überzeugt und möchte die Entwicklung der dynamischen Orthese weiterführen. Einschränkungen im Schultergelenk wirken sich schnell auf den Alltag aus und haben einen grossen Einfluss auf die Selbständigkeit. Das bisherige Feedback von Gesundheitsfachleuten und vielen Betroffenen fällt positiv aus hinsichtlich von Anwendungsmöglichkeiten im Alltag oder in der Therapie.

Die kommerzielle Umsetzung wird entweder mittels Spin-Off-Firma oder über eine Partnerschaft mit der Industrie im Rahmen eines KTI-Projekts angestrebt.

Produktvideo

Auf einen Blick

Beteiligte Institute und Zentren:

Projektpartner:

Finanzierung: Sonderfinanzierungsprojekt der ZHAW School of Engineering

Projektstatus: laufend