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Ein großer Schritt auf dem Weg zum fast normalen Gehen

Medizintechnik: High-Tech-Werkstoff CFK macht High-Tech-Prothese möglich
Ein großer Schritt auf dem Weg zum fast normalen Gehen

Das intelligente Kniegelenk C-Leg soll Amputierten wieder zu fast normaler Bewegung verhelfen. Mit Hilfe des Zusammenspiels von Hightech-Werkstoff CFK, Sensorik, Mikroprozessortechnik und Hydraulik kommen die Prothesenspezialisten von Otto Bock diesem Ziel schon sehr nahe.

Eine bemerkenswerte Anwendung von Kohlefaser verstärkten Kunststoffen (CFK) in der Medizintechnik ist das Unterschenkelgehäuse für das elektronisch gesteuerte Kniegelenk C-Leg der Otto Bock Healthcare GmbH in Duderstadt. Dieser High-Activity-Rahmen ist in der neuesten Version auf ein Gewichtslimit von 136 kg ausgelegt. „Eine Ausführung dieses Kohlefaserbauteils in Metall würde nicht funktionieren“, sagt Maximilian Segl, Leiter der Entwicklungsabteilung Faserverbundwerkstoffe bei Otto Bock, „weil Metall zu schwer und zu weich wäre.“

Dieses Bauteil verbirgt unter der Carbon-Schale weitaus mehr High-Tech, als man auf den ersten Blick vermuten würde. „Das Wesentliche an diesem intelligenten Kniegelenk ist, dass es sauber erkennen kann, in welcher Situation sich der Prothesenträger befindet“, erklärt Florian Sedlmeier. Denn die unterschiedlichen Situationen würden, so der Produktmanager für mechatronische Beinprothesen weiter, ganz unterschiedliche Anforderungen an das Kniegelenk und hier speziell an die Dämpfung der eingebauten Hydraulik stellen. Dazu senden ein Kniewinkelsensor im Kniegelenk und ein Belastungssensor am Rohradapter des Fusses die Zustandsdaten in einem Takt von 50 Hz an einen Mikropozessor, der in die Elektronik im oberen Teil des C-Leg-Rahmens integriert ist. Ein Lithium-Ionen-Akku versorgt die Hauptelektronik mit Strom.
„Im Rechner ist ein relativ komplexer Algorithmus hinterlegt“, gibt Sedlmeier Einblick in die Funktion. Nach diesem Satz von definierten Regeln, Ruleset genannt, steuert der Rechner anhand der Sensorwerte über kleine Servomotoren die Ventilstellungen der Hydraulik im Takt von 50 Hz. „Auf diese Weise wird dafür gesorgt, dass sich die Dämpfung der Hydraulik stets an die jeweilige Situation anpasst“, macht Sedlmeier deutlich, „und zwar von höchster Sicherheit bei Fersenauftritt bis zum leichten Umschalten in die Schwungphase.“
In der Schwungphase soll die Dämpfung möglichst gering sein. Die folgende Standphase ist hinsichtlich der Sicherheit die kritischste. „Da ist genau das Gegenteil gefragt“, betont Sedlmeier. Da fahre das Gelenk in eine hohe Dämpfung, die sofort bei Fersenauftritt da sein müsse, damit das Gelenk nicht kollabiere und der Prothesenträger schnell auf der Nase liege. „Das sind die beiden gegensätzlichen Anforderungen, denen eine Prothese gerecht werden muss“, resümiert der Produktmanager.
In der neuesten Version von C-Leg können elf verschiedene Fußprothesen eingesetzt werden. Die Varianten Trias und Triton bauen auf sogenannten CFK-Federn auf. „Diese Carbonfüße sind je nach individuellen Anforderungen der Prothesenträger die beste Variante“. meint Sedlmeier.
Wie viel Wert auf die Präzision des Kniegelenkes gelegt wird, belegt Entwicklungsleiter Segl: „Bei der Knieachse und der unteren Befestigung der Hydraulik im Carbonrahmen reden wir über Toleranzen von ein paar Tausendstel.“ Solche Genauigkeiten finde man seines Wissens wohl kaum in normalen Faserverbundbauteilen.
Dr. Rolf Langbein Fachjournalist in Rottenburg
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