Physik | Technik

 

Tamara Papararo, 2001 | Bassersdorf, ZH

 

Immer häufiger werden, besonders bei älteren Menschen, Hüft- oder Kniegelenke ersetzt. Nach einer solchen Operation ist es heute üblich, eine spezielle Gangschulung durchzuführen und eine vorübergehende Teilbelastung anzuordnen, obwohl ältere Menschen nicht in der Lage sind, diese Belastung einzuhalten. Die Folgen einer Überbelastung reichen von Prothesenlockerung bis hin zu Re-Operationen. Nebst medizinischen Komplikationen gibt es auch sozio-ökologische (Belastung des Gesundheitssystems) und psychische Komplikationen (Angst vor dem Sturz). Für Patienten wäre es hilfreich, während des Heilungsprozesses ein instantanes Feedback über die korrekte Belastung des operierten Beines zu erhalten, um eine Überbelastung zu vermeiden. Dort setzt die Arbeit an: Ein Prototyp einer Einlegesohle wurde entwickelt, der mittels einer Gewichtsmessung während des Gehens die Belastung feststellen kann. Das Gewicht wird an der Fusssohle der betroffenen Seite gemessen. Die Belastungsgrenze kann über einen bedienbaren Regler eingestellt werden. Ein akustisches Signal warnt Patienten, wenn die Grenze überschritten wird, und damit vor einer möglichen Schädigung. Das Ziel der Arbeit war es, eine Überbelastung zu vermeiden und den Heilungsprozess nach einem Eingriff an den unteren Extremitäten zu unterstützen.

Fragestellung

(I) Ist es möglich, ein Gerät zu bauen, das anhand eines Warnsignals und eines Messkonzeptes die Überbelastung des operierten Beines nach einer Knie- oder Hüftoperation verhindert?

Methodik

Nach einer Recherche über die Anatomie und die Gewichtsmessung wurde eine Modellwaage gebaut, um das Prinzip einer Personenwaage zu verstehen. Deren Sensoren konnten auf ein Kilogramm skaliert werden. Auf der Basis der Ergebnisse der Recherche und der Modellwaage wurde anschliessend ein Prototyp einer Schuheinlage mit einer portablen Steuereinheit entwickelt, der die Belastung beim Gehen messen kann. Die Steuerung wurde in Arduino implementiert. Dieser Prototyp wurde zum Schluss in der Praxis getestet.

Ergebnisse

Es wurde eine voll funktionstüchtige und im Alltag einsatzbereite Prototypensohle mit dazugehöriger Steuereinheit gebaut und in Betrieb genommen. Die praktische Erprobung wurde von einem Physiotherapeuten und im Spital von einem Patienten unter der Aufsicht eines Physiotherapeuten durchgeführt. Die gewünschte Gewichtsmessung konnte erfolgreich durchgeführt werden und die Überlastungswarnung funktionierte. Das Produktkonzept und die Warnung wurden von den Testpersonen als sehr positiv bewertet. Beim Praxis-Experiment wurde gezeigt, dass der Prototyp am linken und am rechten Fuss verwendbar ist und die Genauigkeit zwischen null und drei Kilogramm liegt. Dies wurde bei der Programmierung der Überlast-Warnung berücksichtigt. Ausserdem wurde festgestellt, dass bei falscher Fussbelastung die Ungenauigkeit auf bis zu acht Kilogramm ansteigen kann.

Diskussion

Innerhalb des vorhandenen Zeitbudgets wurde eine Lösung für das Problem der postoperativen Überbelastung eines Beins entwickelt und erprobt. Die gewählte Vorgehensweise hat sich bewährt und war zielführend. Die Erstellung eines Modells, um das Prinzip der Gewichtsmessung zu testen, erlaubte es, Anpassungen vornehmen, die später zu Problemen beim Prototyp geführt hätten. Dies betraf zum Beispiel die Skalierung der Sensoren und ihre Funktionsweise. Beim Testen des Prototyps wurde herausgefunden, dass der verwendete Lautsprecher einen zu leisen Ton von sich gab, der von älteren Männern schlecht wahrgenommen werden konnte. Indem ein stärkerer Lautsprecher verwendet wurde, konnte das Problem behoben werden und anschliessend der Prototyp erfolgreich getestet werden.

Schlussfolgerungen

Der KRUSA erlaubt die Messung der Belastung eines Fusses während des Gehens. Damit kann geholfen werden, eine post-operative Überbelastung nach Knie- oder Hüftoperation zu vermeiden. Alle Testpersonen waren von der Anwendung begeistert und vom Nutzen überzeugt. Sie wünschten sich, dass es ein solches Produkt auf dem Markt gäbe. Im Laufe der Arbeiten wurde ein Verbesserungspotenzial identifiziert. KRUSA könnte mit einem geeigneten Industriepartner fertig entwickelt und anschliessend auf den Markt gebracht werden.

 

 

Würdigung durch den Experten

Dr. Christoph Rickert

In Ihrer eigenen Familie erlebte Tamara Papararo, wie schwierig es für Patienten nach einer Hüftoperation ist, die vorgeschriebene maximale Beinbelastung im Alltag korrekt abzuschätzen und, um Komplikationen zu vermeiden, nicht zu überschreiten. Das wollte Sie so nicht einfach hinnehmen. Sie hat mit grossem Einsatz und viel Begeisterung systematisch eine funktionierende Lösung dafür entwickelt. Die Arbeit überzeugt durch die kreative Problemlösung und die systematische Umsetzung. Der Prototyp Ihrer Idee hat bei Testpersonen Begeisterung ausgelöst. Vielleicht auch bald bei Patienten?

Prädikat:

sehr gut

Sonderpreis AO Foundation

 

 

 

MSW Winterthur
Lehrer: Michael Screta