Biomechanische Optimierung&Entwicklung eines neuartigen manuellen Rollstuhlantriebs

Der Rollstuhl ist das am häufigsten verwendete Hilfsmittel zur Verbesserung der Mobilität von Personen mit Bewegungseinschränkungen. Bei der herkömmlichen manuellen Fortbewegung mit einem Rollstuhl über den Greifring treten hohe Belastungen an den oberen Extremitäten, deren Physiologie nicht für große kontinuierliche Belastungen ausgelegt ist, auf. Die Folge sind häufig Schmerzen und Verletzungen im Arm- und Schulterbereich, welche sowohl die Lebensqualität der Betroffen weiter einschränken als auch beträchtliche Kosten für das Gesundheitssystem verursachen können. Des Weiteren ist die Fortbewegung über den Greifring auch durch eine geringe mechanische Effizienz von unter 10% charakterisiert. Ziel des vorliegenden Projektes ist es, eine optimierte Antriebsbewegung am Rollstuhl zu entwickeln, welche physiologische Parameter d.h. die Geometrie der knöchernen Strukturen, Kraft-Länge-Geschwindigkeits- Relationen der Muskeln und Muskel-Hebelarme berücksichtigt. Es sollen zwei neuartige optimierte Mechanismen für manuelle Fortbewegung mit dem Rollstuhl entwickelt werden. Durch eine zyklische Bewegungsbahn der Hand und eine kontinuierliche Bewegung des Armes sollen an den Gelenken sowohl Flexoren als auch Extensoren und dadurch eine größere Muskelmasse zur Erzeugung der Antriebskraft beitragen und die Belastung auf mehr Muskeln verteilt werden. Extreme Gelenkstellungen, welche ergonomisch besonders ungünstig sind, sollen vermieden werden. Entsprechende Randbedingungen für die Konstruktion sollen sicherstellen, dass durch den zusätzlichen Mechanismus weder der Rollstuhl breiter noch der Bewegungsraum der Arme für andere Tätigkeiten eingeschränkt oder der Transfer vom/auf den Rollstuhl erschwert werden. Zur rechnerischen Ermittlung der optimierten Bewegung werden zwei verschiedene Optimierungskriterien verwendet: Optimierungskriterium 1 minimiert die notwendige Muskelkraft zum manuellen Antrieb des Rollstuhles und erhöht dadurch den mechanischen Wirkungsgrad. Optimierungskriterium 2 minimiert die Kontaktkräfte in den Gelenken der oberen Extremität, auf welche Schmerzen und Verletzungen bei Rollstuhlbenützern zurückgeführt werden können. Zur Berechnung der optimalen Bewegungen und insbesondere der Bewegungsbahn der Hand wird ein dreidimensionales biomechanisches Muskel-Skelettmodell der oberen Extremität verwendet. Eine forward dynamic` Simulation und ein Algorithmus zur Parameter-Optimierung errechnet für beide Optimierungskriterien die optimale Bewegung. Im nächsten Schritt werden Mechanismen entwickelt, welche die mittels dynamischer Optimierung errechneten Bewegungsbahnen der Hand möglichst gut annähern. Auf einem eigens entwickelten Rollstuhl-Ergometer sind Tests mit fünfzehn gesunden Personen und fünfzehn Paraplegikern, die bereits über längere Zeit einen Rollstuhl benützen, geplant. Auf dem Ergometer werden sowohl ein Rad mit Greifring als auch beide optimierte Antriebe installiert. Die Kinematik der Bewegung, dreidimensionale Kontaktkräfte an der Hand und EMG werden während des Antriebes des Rollstuhles gemessen. Zusätzlich wird die individuelle maximale willkürliche Muskelkraft der Probanden mit einem Dynamometer bestimmt. Aus den gemessenen Bewegungs- und Kraftdaten wird über das Modell mittels inverse dynamics` und statischer Optimierung auf die Muskelkraftverläufe und Kontaktkräfte an den Gelenken zurückgerechnet und die Ergebnisse mit den optimierten Antrieben mit denen der konventionellen Fortbewegung mit dem Greifring für jede Testperson und zwischen den Testpersonen und gruppen verglichen und evaluiert. Es wird erwartet, dass beide Antriebe sowohl wesentlich niedrigere muskuläre Belastung als auch geringere Gelenksbelastungen im Vergleich zu der konventionellen Fortbewegung mit dem Greifring zeigen. Höhere mechanische Effizienz ermöglicht Rollstuhlbenützern Fortbewegung im Alltag mit weniger Einschränkungen und größere Unabhängigkeit; geringere Gelenksbelastungen vermeiden funktionelle Einschränkungen durch Schmerzen und Verletzungen im Arm- und Schulterbereich und die damit verbundenen psychologischen Konsequenzen und Kosten für das Gesundheitssystem.

Der Rollstuhl ist eines der am häufigsten verwendeten Hilfsmittel zur Erhöhung der Mobilität von Menschen mit Behinderungen. Beim manuellen Antriebes eines Rollstuhles durch den Greifring werden wiederholt hohe Belastungen auf die Arme aufgebracht, was bei Rollstuhlfahrern häufig zu Schmerzen und in Folge Verletzungen in den oberen Extremitäten führt. Die Lebensqualität dieser Personen wird beeinträchtigt und es kommt zu erheblichen Belastungen des Gesundheitssystems. Der manuelle Rollstuhlantrieb mit Greifring ist durch einen geringen mechanischen Wirkungsgrad gekennzeichnet, typischerweise unter 10%. Zielsetzung diese Projektes war, rechnerisch eine optimale Rollstuhlantriebsbewegung zu ermitteln, bei der die physiologischen Eigenschaften der oberen Extremitäten berücksichtigt, die Belastung auf eine größere Anzahl von Muskeln verteilt und ergonomisch problematische, extreme Gelenkswinkel vermieden werden; und darauf aufbauend einen neuartigen optimierten Mechanismus zur praktischen Umsetzung des rechnerisch bestimmten Bewegungsmusters für den manuellen Rollstuhlantrieb zu entwickeln. Ein dreidimensionales Muskel-Skelett-Modell der oberen Extremität wurde verwendet, um das optimierte Bewegungsmuster in einer Computersimulation rechnerisch zu ermitteln. Dann wurde der neuartige Antriebsmechanismus entwickelt, der eine Bewegungskurve für die Hand erzeugt, die die berechnete optimalen Kurve möglichst gut nachbildet. Auf einem speziell entwickelten instrumentierten Rollstuhl-Ergometer, welches sowohl mit einem Greifring als auch mit dem neuartigen optimierten Antrieb ausgestattet ist, wurden experimentelle Untersuchungen mit gesunden Probanden (Fußgängern) und geübten Rollstuhlfahrern durchgeführt, dabei wurden die Kinematik der Bewegung, Kontaktkräfte an der Hand, Muskelaktivitätssignale und Sauerstoffverbrauch gemessen. Über individuell angepasste Muskel-Skelett Modelle wurden aus den experimentell ermittelten Daten die Muskelaktivitätsbereiche bestimmt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Gelenkswinkel im Gegensatz zum Antrieb mit dem Greifring mit dem neuartigen optimierten Antriebsmechanismus während der gesamten Bewegung innerhalb der ergonomischen Gelenkbereiche bleiben; Die Muskelaktivität wird auf mehr Muskeln verteilt, wodurch die Belastung der einzelnen Muskeln reduziert wird. Sauerstoffverbrauch und Herzfrequenz sind im Vergleich zum Greifring-Antrieb niedriger, der mechanische Wirkungsgrad höher. Die Verwendung des neuartigen optimierten Antriebsmechanismus kann Menschen mit Behinderungen der unteren Gliedmaßen ermöglichen, sich mit weniger Einschränkungen und effizienter fortzubewegen und Aktivitäten des täglichen Lebens auszuführen. Schmerzen und Verletzungen der oberen Extremitäten und deren funktionelle und psychologische Folgen können verringert werden.