Bio-Signalverarbeitung: So funktioniert es

Fortschritte bei Prothesen bieten Nutzern mehr Funktionalität und Beweglichkeit als je zuvor. Insbesondere der Einsatz der Bio-Signal-Verarbeitung hat die Funktionsweise von Prothesen in Verbindung mit dem Körper eines Nutzers verändert. Die Bio-Signal-Verarbeitung ermöglicht es Nutzern, ihren bionischen Arm auf eine Weise zu steuern, die der Steuerung des durch Amputation verlorenen Arms ähnelt. 

Dadurch dient der neue Arm als voll funktionsfähige Erweiterung des Körpers des Nutzers und nicht nur als bloßes Zubehör. Wenn Sie genau erfahren möchten, wie die Bio-Signal-Verarbeitung in einem bionischen Arm funktioniert, lesen Sie weiter. 

Hintergrund

Zunächst gehen wir auf einige Hintergründe dazu ein, wie Bio-Signal-Verarbeitung entstanden ist. In der Vergangenheit verfügten die einzigen erhältlichen Prothesen über sehr einfache Funktionen zum Öffnen und Schließen der Hand. Das Problem dabei war, dass der Prothesenarm als Ersatz für die gesunde Handseite konzipiert war, diese Prothesenhände jedoch deutlich weniger Freiheitsgrade aufwiesen.

Außerdem waren die meisten mit der Prothese ausgeführten Aufgaben umständlich, da die Steuerung der Prothese nicht mit den Bewegungen eines normalen Gliedes zusammenhing. Zum Beispiel würde die Ellbogenbewegung eines Prothesenarms durch die Schulter des Amputierten entstehen, während sich ein normaler Ellbogen unabhängig von der Schulter bewegen könnte.

Nachdem diese Probleme erkannt worden waren, begannen Prothesenzentren nach einer neuen Lösung zu suchen. Bei der Forschung wurde festgestellt, dass die biologischen Signale, die die Körperbewegungen steuern und die man nach einer Amputation für verloren gehalten hatte, im Körper des Amputierten weiterhin vorhanden waren. 

Diese Signale konnten zur Steuerung einer Prothese verwendet werden, anstatt grobe Körperbewegungen wie bei herkömmlichen Prothesen, etwa körperbetriebenen Prothesen, zu nutzen. Dadurch würde die Fähigkeit des Amputierten, das Gerät zu steuern, seine Fähigkeit übersteigen, eine konventionelle Prothese zu kontrollieren. Der Hauptvorteil dabei wäre, dass die Steuerungsart der Prothese der des entsprechenden amputierten Glieds ähnlicher und intuitiver wäre. 

Verwendung von Nervensignalen

Mit dieser Erkenntnis wurde entdeckt, dass die Verwendung von Nervensignalen zu Steuerungszwecken in Kombination mit Muskel-signalen eine deutlich verbesserte Rehabilitation ermöglichen könnte. Nervensignale unterstützen sowohl willkürliche als auch unwillkürliche Aktivitäten bei der Ausführung körperlicher Funktionen, einschließlich der Wahrnehmung von Empfindungen. Durch die Nutzung der verbliebenen Nerven im Arm, der sowohl sensible als auch motorische Nervenfasern enthält, konnten Amputierte ihren Prothesenarm steuern. 

Wie funktioniert also die Verbindung? Studien fanden heraus, dass elektromiografische Signale (EMG) das praktischste bioelektrische Signal für Steuerungszwecke sind. Diese elektrischen Signale können durch die Kontraktion der Muskeln im verbliebenen Glied des Patienten erzeugt werden. 

Die einfachste Methode, EMG-Signale im Körper zu beobachten, besteht darin, ein beliebiges Elektrodenpaar auf die Hautoberfläche über einem Muskel zu setzen. Sobald die Elektrode befestigt ist, sucht sie nach Signalen, die dem Ausgang eines Rauschgenerators ähneln, und nimmt entsprechend jeder Muskelspannung zu oder ab. Dadurch würde sich das Steuerungsverhalten des Prothesenarms dem eines normalen Arms annähern. 

Dabei hängen die Platzierung der Elektroden und ihre Fähigkeit, EMG-Signale zu erfassen, von der Anatomie des Amputierten ab. Die Fähigkeit, EMG-Signale nutzen zu können, ist für den Einsatz eines myoelektrischen Geräts wichtig, da diese Signale die Hand steuern.  Glücklicherweise ist selbst bei sehr schwachen Signalen der Betrieb einer bionischen Hand noch möglich.  Während der Patientenbeurteilung mit dem Prothetiker werden diese EMG-Positionen getestet

Der bionische Arm

Der bionische Arm wurde entwickelt, um eine für die EMG-Steuerung geeignete Prothese zu schaffen, die dem Amputierten angepasst werden kann, um mit verbesserter Kontrolle zu funktionieren. Wenn die bionische Hand mit der Haut des Amputierten in Kontakt kommt, können die Elektroden Signale von den darunterliegenden Muskeln des Nutzers empfangen. Sobald sie verbunden ist, beginnt die Hand gemäß der Steuerung des Nutzers zu funktionieren. 

Zusammen mit den Elektroden und EMG-Signalen benötigt die Hand außerdem einen motorischen Steuerungsteil des Programms. Im Wesentlichen tastet das Programm die Signale in einer Verarbeitungsschleife ab und berechnet die Differenz zwischen diesem Signal und dem Ergebnis des EMG-Signals. Diese Signale werden dann verarbeitet und das Ergebnis aus dem Computer zurück an den Motor übertragen. 

Ist der bionische Arm beim Patienten angepasst und korrekt programmiert, kann der Nutzer beginnen, seinen Arm mühelos zu steuern. Da der Arm mithilfe von Signalen gesteuert wird, bewegt er sich so nah wie möglich an einen normalen Arm heran, mit größerer Kontrolle und Geschicklichkeit als andere herkömmliche Prothesen. Darüber hinaus können Nutzer mit einem hochfunktionalen Arm sogar die Bewegung einzelner Finger steuern, was ihnen mehr Kontrolle und Funktionalität bietet. 

Wie wir Bio-Signal-Verarbeitung nutzen

Unser eigenes Produkt, der Zeus, ist eine hochfunktionale, mehrgelenkige bionische Hand, die durch Bio-Signal-Prozesse gesteuert wird. Fortschrittliche Signalverarbeitung und drahtlose Verstärkungsanpassung in unseren EMG-Sensoren, kombiniert mit proportionaler Geschwindigkeit, ermöglichen einen nahtlosen Übergang zwischen präzisen und dennoch kraftvollen Griffen. 

Sobald sie am Arm angepasst ist, können Nutzer das Gerät leicht steuern, das Signale für eine optimale Kontrolle erfasst. In Kombination mit unserer hochentwickelten Software können Nutzer einzelne Fingergriffe an ihre individuellen Bedürfnisse anpassen. Mit dem Zeus erreichen Nutzer mehr Kontrolle und Kraft als mit alternativen Prothesen und erhalten dadurch ein ähnliches Maß an Funktionalität wie bei einer normalen Hand.  

Wenn Sie mehr über den Zeus und seine Funktionsweise erfahren möchten, besuchen Sie unsere Website oder vereinbaren Sie ein kostenloses Beratungsgespräch.