Mobilitätseinschränkung ist ein Anfangsstadium einer menschlichen Mobilitätseinschränkung und ein frühes Anzeichen für einen Funktionsverlust. Es kann sich in Muskelschwäche, Gleichgewichtsverlust, Gangunsicherheit und Gelenkschmerzen äußern. Eine langfristige und kontinuierliche Überwachung der Gelenkbewegung kann möglicherweise einen Rückgang verhindern oder verzögern, indem sie eine frühzeitige Diagnose, Prognose und Behandlung mobilitätsbedingter Erkrankungen ermöglicht.
Möglich wird diese langfristige und kontinuierliche Überwachung durch nicht tragbare oder tragbare Analysesysteme. Nicht tragbare Systeme sind zuverlässig, erfordern jedoch eine Laborumgebung und geschultes Personal und sind daher für den täglichen Gebrauch unpraktisch. Andererseits sind tragbare Systeme tragbar, kostengünstiger und viel einfacher zu verwenden. Leider sind typische tragbare Sensoren meist unflexibel und sperrig.
Ein relativ neuer Akteur im Bereich der tragbaren Systeme sind Wearables aus leitfähigem Stoff (CF), die weich, leicht, formbar und nicht-invasiv sind. Diese Sensoren sind komfortabel und für die Langzeitüberwachung geeignet. Die meisten CF-basierten Wearables werden jedoch fehleranfällig, wenn sie von ihrem vorgesehenen Standort entfernt werden, und sind auf externe Komponenten angewiesen, die die Empfindlichkeit und den Arbeitsbereich der Sensoren einschränken.
Um diese Einschränkungen zu überwinden, hat ein Forschungsteam ein Wearable mit einem hohen Maß an funktionaler und gestalterischer Freiheit entwickelt. Die außerordentliche Professorin Low Hong Yee und ihre Kollegen von der Singapore University of Technology and Design (SUTD) arbeiteten mit Dr. Tan Ngiap Chuan von den SingHealth Polyclinics zusammen und veröffentlichten ihre Forschungsarbeit „Alle gestrickten und integrierten weichen Wearables mit hoher Dehnbarkeit und Empfindlichkeit zur kontinuierlichen Überwachung.“ menschliche Gelenkbewegung‘ in Fortschrittliche Materialien für das Gesundheitswesen.
Laut Associate Professor Low waren ihre wichtigsten Überlegungen bei der Entwicklung des Wearables die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Sensordaten sowie die Tatsache, dass der Sensor auf möglichst wenige externe Komponenten angewiesen sein sollte. Das Ergebnis war eine äußerst dehnbare, voll funktionsfähige Sensorschaltung aus einem einzigen Stoff. Da das Kniegelenk für die Beweglichkeit der unteren Gliedmaßen wichtig ist, wurde das Wearable für das Knie entwickelt.
Um diesen Ein-Stoff-Schaltkreis zu entwickeln, koppelte das Team mechanisch ein elektrisch leitfähiges Garn mit einem dielektrischen Garn mit hoher Elastizität in verschiedenen Stichmustern. Die Abmessungen wurden an das Bein des Probanden angepasst. Die Funktionskomponenten – Sensoren, Verbindungen und Widerstände – bildeten einen dehnbaren Schaltkreis auf dem vollständig gestrickten Wearable, der die Erfassung von Echtzeitdaten ermöglichte.
Allerdings ist es schwierig, Sensoren, Verbindungen und Widerstände in einem einzigen dehnbaren Gestrick zusammenzufügen. Associate Professor Low erwähnte, dass „die Synergie von Garnen mit unterschiedlichen elektrischen und mechanischen Eigenschaften zur Erzielung einer hohen Signalempfindlichkeit und hohen Dehnbarkeit“ eine Herausforderung darstellte, da die gewünschten Eigenschaften für jede Komponente sehr unterschiedlich seien.
Sensoren müssen für eine höhere Empfindlichkeit eine große Widerstandsänderung erzeugen, während Verbindungen und Widerstände feste Widerstände mit dem höchsten bzw. niedrigsten Wert benötigen. Daher optimierten die Forscher die Garnzusammensetzung und den Stichtyp für jede Komponente, bevor sie den Funktionsschaltkreis mit einer Leiterplatte in einer Tasche des Wearables verbanden, was eine drahtlose Übertragung von Echtzeitdaten ermöglichte.
Nachdem ein weiches Knie-Wearable entwickelt wurde, dessen Komponenten funktionsfähig und die Datenübertragung möglich war, war es an der Zeit, die Leistung des Wearables zu testen. Das Team bewertete das Wearable anhand von Streck- und Beugeübungen, Gehen, Joggen und Treppensteigen. Die Probanden trugen das Knie-Wearable zusammen mit reflektierenden Markierungen, die von einem Bewegungserfassungssystem erfasst wurden, was den Vergleich zwischen Sensordaten und tatsächlicher Gelenkbewegung ermöglichte.
Die Reaktionszeit des Sensors betrug bei einer Schritteingabe weniger als 90 Millisekunden, was schnell genug ist, um die in der Studie berücksichtigten menschlichen Bewegungen zu überwachen. Darüber hinaus betrug die kleinste Änderung des Gelenkwinkels, die die Sensoren erkennen konnten, 0,12 Grad. Die Sensordaten zeigten eine starke Korrelation mit den vom Bewegungserfassungssystem erfassten Gelenkbewegungsdaten, was die Zuverlässigkeit der Sensordaten belegt.
Die potenziellen Auswirkungen eines solchen Geräts im medizinischen Bereich sind enorm. Eine kontinuierliche Langzeitüberwachung der Gelenkbewegung ist wichtig, um mobilitätsbedingte Erkrankungen zu verfolgen. Frühe Anzeichen eines Mobilitätsrückgangs werden oft ignoriert, da sie als nicht schwerwiegend genug eingeschätzt werden, um Hilfe zu suchen. Wearable-Technologie löst dieses Problem, indem sie die Mobilität eines Benutzers direkt in Echtzeit beurteilt.
Die Einbettung eines benutzerfreundlichen Sensorschaltkreises in einen weichen und bequemen Stoff kann die Akzeptanz tragbarer Technologie in der Öffentlichkeit steigern, insbesondere bei Sportlern und älteren Menschen. Daten können in Echtzeit gesammelt und in Indikatoren umgewandelt werden, die einen Mobilitätsrückgang erkennen können. Wenn Anzeichen einer eingeschränkten Mobilität festgestellt werden, können vorbeugende Maßnahmen, eine Prognose und eine Behandlung des Gesundheitszustands ergriffen werden.
Aufbauend auf dieser Arbeit möchte das Team den Einfluss von Schweiß und Feuchtigkeit auf Sensorsignale untersuchen und die Forschung künftig auf Probanden aus gesunden und ungesunden Bevölkerungsgruppen ausweiten. „Wir haben begonnen, daran zu arbeiten, das Wearable auf spezielle Benutzergruppen auszudehnen und andere Körpergelenke wie die Schulter zu überwachen“, erklärte Associate Professor Low. „Wir überlegen außerdem, einen Inkubationsfonds zu sichern, um das Kommerzialisierungspotenzial des Wearables zu erkunden.“
Video: https://youtu.be/KPlSPtDVs2k