Damit die Muskelkraft nicht schwindet.

Rehabilitation für querschnittsgelähmte Menschen ist oft ein langer Prozess, umso wichtiger sind Methoden und Technologien, welche diese Massnahmen für die Patienten optimieren. Die Berner Fachhochschule hat in jahrelanger Forschungsarbeit ein Liegedreirad mit elektrischer Stimulation entwickelt. Unterstützung bekommen die Patienten dabei von einem maxon-Flachmotor.

Liegedreiradfahren ermöglicht Patienten mit Läsionen des Rückenmarks eine teilweise Wiederherstellung verloren gegangener Bewegungsfunktionen. Ausserdem bietet es den Patienten eine sehr praktische und erfolgreiche Basis für kardiopulmonale und muskuläre Trainingseinheiten. Die gelähmten Beinmuskeln werden durch Funktionelle Elektrische Stimulation (FES) in Zusammenhang mit einem kontrollierten Training wieder aktiviert.

An der Berner Fachhochschule; am Institut für Rehabilitation und Leistungstechnologie (IRPT) forschen Wissenschaftler und Studenten an der Weiterentwicklung der Rehabilitationsmethode. Die Kernkompetenzen des IRPT sind kardiopulmonale und neurologische Rehabilitation nach Schlaganfällen oder Wirbelsäulenverletzungen sowie Feedbacksysteme, Automation und Kontrolle von modernen Trainingsgeräten. Verfahren und Systeme werden im interdisziplinären Team und in Zusammenarbeit mit Schweizer Industrieunternehmen und Rehabilitationskliniken entwickelt. Im Oktober 2009 hatte Kenneth Hunt, Professor für Rehabilitationstechnik, die Leitung des Instituts für mechatronische Systeme an der Berner Fachhochschule übernommen. Anfang 2011 hat er das neue Institut für Rehabilitation und Leistungstechnologie gegründet. Der gebürtige Schotte und Experte auf dem Gebiet der Rehabilitation hat in Glasgow das „Scottish Centre for Innovation in Spinal Cord Injury“ mitbegründet und als Forschungsdirektor mitgeprägt. Ausserdem war er fünf Jahre auf Tuchfühlung mit der Industrie im Department für Forschung und Technologie der Daimler-Benz AG in Berlin. Die Liegedreiräder sind für Menschen geeignet, die nach einer Querschnittslähmung, einem Schlaganfall oder die bei Kindern vorkommende Zerebrallähmung leiden.

„Wir setzen Methoden und Technologien aus dem Leistungssport ein, um den Rehabilitationsprozess von Menschen nach Unfällen oder Krankheiten zu verbessern“, erklärt Kenneth Hunt. FES wurde bereits bei der ersten Generation von Liegedreirädern eingesetzt, jedoch wurden hierbei noch keine Motoren verwendet. Die neue Generation verfügt über einen Elektromotor, der zusätzliche Leistung zur FES liefert. Denn FES allein kann nur eine geringe Leistung von 30 bis 40 Watt erzeugen, sodass die maximale Leistung und Dauer des Einsatzes sehr begrenzt ist.

Antriebskomponente zur effektiven Unterstützung der Beinkraft

Der Elektromotor wird für die anfängliche Unterstützung der Stimulation benötigt. Das bedeutet, dass der Antrieb die Beine des Patienten in Bewegung hält. Ausserdem stellt der Antrieb die kontrollierte Trainingseinheit dar, welche bei höherer oder tieferer Leistung des Patienten in den Brems-/Generatorbetrieb wechselt und umgekehrt. Die maxon-Motoren werden im vorderen Bereich der Fahrräder, konkret beim Tretlager eingebaut.

Dementsprechend hoch sind die Anforderungen an die Elektromotoren – zum einen, was die Grösse angeht und zum anderen ist es auch eine Frage der Leistung. Der Motor und das Getriebe müssen zwischen die Pedale passen, um das System so kompakt wie möglich zu gestalten. Laut Kenneth Hunt erfüllen die maxon-Motoren und die dazu passenden Getriebe diese Anforderungen. Die bürstenlosen maxon-EC-Flachmotoren sind dank ihrer flachen Bauform in vielen Anwendungen genau der richtige Antrieb. Der im Liegedreirad verwendete 90 Watt starke Flachmotor bringt zudem ausreichend Leistung für die Anwendung. Die Stromversorgung erfolgt über einen Akku, der neben dem Motor auch die Hinterradnabe mit Strom versorgt.

Antrieb und Bremse in einem

Bei den kontrollierten Trainingseinheiten bewegt anfangs der Motor die Beine des Patienten, bevor die Muskeln stimuliert werden. Je aktiver der Patient dabei ist, beziehungsweise je mehr Muskelkraft durch Stimulation erzeugt wird, desto weniger muss der Motor unterstützen. Sobald die Muskeln genügend Kraft erzeugen, um die Beine selbstständig antreiben zu können oder gegen eine Last arbeiten zu können, arbeitet der Motor als Bremse. Aus diesem Grund ist auch ein 4Q-Steuergerät erforderlich, um zwischen Motor- oder Bremsbetrieb wechseln zu können. Für den Bremsbetrieb wird ein Brems-Chopper eingesetzt, um die generierte Energie zu vernichten. Das ganze Zwischenspiel zwischen Motor/Bremse und FES wird durch eine spezielle Software gesteuert, die vom Institut selbst geschrieben wurde und auf einem Computer oder Micro-Controller läuft. Die Pedale und das Antriebsrad des Fahrrads sind nicht wie bei herkömmlichen Rädern durch eine Kette verbunden. Beide Teile sind voneinander abgekoppelt, sodass eine solche Kette nicht benötigt wird. Die Pedale und das Antriebsrad sind nur durch die Steuerungssoftware „gekoppelt“. Dies bringe eine grosse Flexibilität, da die Fahrdynamik durch die Software programmiert und in Echtzeit angepasst werden kann.

Zwei Prototypen der Liegedreiräder sind für Forschungszwecke inzwischen fertiggestellt: ein System für Erwachsene und eins für Kinder. Beide Systeme sind bereits voll funktionsfähig, aber müssen noch von Patienten klinisch getestet werden.

Bisher ergaben grössere klinische Studien des FES-Systems (ohne Motor), dass es bei den Patienten zu einer Verbesserung der Fitness, zur Zunahme der Knochendichte in den grossen Beinknochen und zu einem Wiederaufbau der gelähmten Muskulatur kommt. Nach den Tests mit der neuen Generation der Liegedreiräder soll mithilfe eines Industriepartners auch diese Generation kommerzialisiert werden. Geplant sind ausserdem weitere Modifikationen und Optimierungen für die Liegedreiräder.

 © maxon motor ag

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