Komponenten einer bionischen Armprothese – Aether Biomedical

Bionische Prothesenarme stehen in direkter Verbindung mit den Nerven sowie Muskeln des Körpers. Sie erfassen elektrische Signale von der verbliebenen Gliedmaße des Nutzers und übertragen sie zur Verwendung an die Prothesenhand. Diese Prothesenarme nutzen eine Kombination aus Sensoren, Motoren, Batterien, Elektroden und Prothesenkomponenten für eine effektive Funktion. Die im Prothesenschaft befindlichen Elektroden sind dafür verantwortlich, die Signale aus der Restgliedmaße aufzunehmen und diese Informationen an einen Controller weiterzuleiten, der sie dann in Befehle übersetzt, die für die in den Prothesenkomponenten befindlichen Elektromotoren für deren Betrieb geeignet sind. Wenn die Muskelsignale die Prothese nicht steuern können, werden Schalter oder Touchpads verwendet, um die Komponenten zu bedienen.

GRUNDKOMPONENTEN EINER BIONISCHEN ARMPROTHESE

1. Mikroprozessoren

2. Elektroden

3. Batterie

4. Controller oder Steuerungssysteme

5. Prothesenkomponenten

Mikroprozessoren

Mikroprozessoren sind elektronische Komponenten, die von einem Computer oder anderen elektrischen Systemen zur Ausführung ihrer Aufgaben verwendet werden. Sie sind die zentrale Verarbeitungskomponente der gesamten Einheit und verantwortlich für die Steuerung und Koordination der Aktivitäten aller anderen Komponenten. In einem bionischen Prothesenarm werden die angetriebenen Prothesenkomponenten durch Motoren und Getriebe gesteuert, die von den Batterien mit Energie versorgt werden. In diesen Prothesenarmen fungiert der Mikroprozessor des Systems als Gehirn des gesamten Systems, da er alle Aktivitäten festlegt, steuert und koordiniert.

Diese Systeme können entweder einen einzelnen, zentralen Mikroprozessor haben, der alle Komponenten bedienen kann und im Schaft montiert ist, oder es kann separate Mikroprozessoren zur Steuerung der Funktion jeder Komponente geben, die auf oder in der jeweiligen Komponente montiert sind. Diese Mikroprozessoren arbeiten mit Algorithmen, die über tragbare, drahtlose persönliche Geräte oder über ein per Computer gesteuertes Schnittstellen-Kabelsystem programmiert werden. Algorithmen werden programmiert, um verschiedene Parameter der bionischen Prothesenarme anzupassen, beispielsweise Parameter zur Modusauswahl, Verstärkung und Schwellenwerte der Eingangssignale sowie Ausgangsspannungen und -ströme, neben einer Vielzahl weiterer Parameter. Wenn mehrere Mikroprozessoren beteiligt sind, werden Programmierung und Anpassungen komplexer.

Für die Mustererkennung, bei der der Mikroprozessor das Muskelfunktionsmuster erkennt und erlernt, wird ein separater Mikroprozessor verwendet, um gleichzeitig die Steuerung verschiedener Prothesenkomponenten zu etablieren. Der größte Vorteil dieser Mustererkennungsfunktion besteht darin, dass sie eine direkte Prothesensteuerung für ein natürlicheres und einfacheres Nutzungsmuster ermöglicht.

Daher sind in jedem bionischen Prothesenarm Mikroprozessoren für die Regelung der Eingangssignale, das Management von Leistungs- und Energieanforderungen des Systems sowie für die Regelung und Steuerung der Ausgänge verschiedener Komponenten verantwortlich.

Elektroden

Die Elektroden in bionischen Armen bilden die Verbindung zwischen der Signalquelle in der Restgliedmaße und den Steuerungssystemen. Es handelt sich dabei im Allgemeinen um Oberflächenelektroden (einige verwenden auch implantierbare Elektroden), die üblicherweise paarweise über gegenüberliegenden Muskelgruppen platziert werden, um die durch Muskelkontraktion erzeugten elektromyografischen Signale zu erfassen. Die Elektroden werden im Schaft über der Gliedmaße platziert und verfügen über eine Steuereinheit, um die Verstärkung zu vervielfachen und anzupassen (Signal erhöhen oder verringern). Wenn die Elektroden Signale erkennen, speisen sie diese in das Steuerungssystem ein, um es aus dem Gleichgewicht zu bringen, wodurch die Prothesenkomponenten ihre gewünschte Funktion ausführen.

Batterie

Die Batterie ist der Energiespeicher des bionischen Prothesenarms und dient dazu, den Motoren bei Bedarf die erforderliche elektrische Leistung für den Betrieb der Prothesenkomponenten bereitzustellen. Die Batterien sind wiederaufladbar und es gibt 2 Typen – (i) die Batterie ist im Arm eingebaut, wobei der Arm zum Wiederaufladen direkt eingesteckt werden muss, (ii) eine herausnehmbare Batterie, die zum Laden entnommen werden kann.

Für ein gutes kosmetisches Erscheinungsbild sind die Batterien in Arme mit flachem Profildesign integriert. Dies sorgt für eine natürlich aussehende, stromlinienförmige Prothesenschale. 

Controller

Im Allgemeinen besteht der Controller aus einem Verstärker, einem Signalprozessor und einer Logikeinheit, die alle Steuerentscheidungen trifft. Der Verstärker dient dazu, das elektrische Signal in seiner Größe zu verstärken und zu erhöhen. Üblich ist der Einsatz von Differenzverstärkern, da sie äußere Störungen leicht unterscheiden und trennen können. Der Signalprozessor ist für die Verarbeitung des Signals verantwortlich und arbeitet mit dem Mittelwert seines Absolutwerts. Die Muskeln geben Wechselstrom ab, der verarbeitet und in Gleichstrom umgewandelt werden muss, damit er von den Elektroden erfasst werden kann. Dieses Signal wird dann zur Steuerung der Motoren in den Prothesenkomponenten verwendet.

Schaltersteuerung

Die einfachste Art eines Steuerungssystems besteht aus einem Schalter zur Regelung des zum Motor fließenden Stroms. Einige Systeme verwenden elektronische Schalter, die für Prothesenfunktionen eingesetzt werden. Schalter sind zuverlässig, einfach und leicht zu bedienen und funktionieren nach einem Druck- oder Zugmechanismus. Ein knopfartiger Mikroschalter kann gedrückt oder ein Wandler gezogen werden.

Touchpads

Touchpads sind kraftempfindliche Widerstände, die als temporäre Schalter fungieren und die Funktion von Elektroden oft ersetzen, wenn der Nutzer die Muskeln der Restgliedmaße nicht wirksam kontrahieren kann.  

Prothesenkomponenten

Schäfte – Je nach Amputationsniveau werden Schäfte durch Erfassung der Anatomie der Restgliedmaße gefertigt, und die Elektroden des bionischen Prothesenarms werden im Schaft platziert, um vollständigen Kontakt aufrechtzuerhalten. Es ist vorzuziehen, den Schaft selbsthaltend zu gestalten oder ihn durch Saugwirkung an der Gliedmaße zu befestigen, mit dem Ziel, jede zusätzliche Gurtung zu vermeiden, da sie die Bewegung einschränkt. Die Arm-/Unterarmaufbauten werden mit den Schäften verbunden, mit Platz zur Aufnahme der Batterien.

Endgeräte – Die Endgeräte bionischer Prothesenarme sind die wichtigsten, willkürlich gesteuerten Greifvorrichtungen, die Greif- und Halteaktivitäten ausführen und es den Patienten ermöglichen, ihre täglichen Aufgaben zu erledigen. Endgeräte werden als „Muskel“ des Systems bezeichnet, da sie verschiedene Bewegungen ausführen. Die meisten technologisch fortschrittlichen Endgeräte bestehen aus opponierbaren Daumen und Fingern, die mit Sensoren ausgestattet sind, wodurch verschiedene Griffmuster genutzt werden können. Die elektronischen Endgeräte besitzen eine elektronische Einheit mit Schalter und Motor, um das Öffnen und Schließen des Endgeräts zu ermöglichen. Das Endgerät ist mit dem Controller verbunden, und Schwelle sowie Verstärkung werden nach Bedarf des Nutzers angepasst.

Angetriebene Handgelenk-, Ellenbogen- und Schultereinheiten – Handgelenkeinheiten helfen bei der Positionierung des Endgeräts und ermöglichen zudem die Austauschbarkeit von Endgeräten, zum Beispiel – das Ersetzen einer Hand durch einen Haken zur Ausführung einer bestimmten Tätigkeit. Angetriebene Ellenbogen verleihen dem bionischen Prothesenarm die Fähigkeit, Gegenstände zu heben, und diese Fähigkeit ist durch die Leistung des Motors und der Antriebssysteme der Einheit begrenzt. Damit ein Nutzer die maximale Hebekapazität eines Systems erreicht, muss der Ellenbogen fixiert oder verriegelt werden.