Bewegungserfassung mit Inertialsensoren

Foto: Pinke Streichhölzer in einer Schachtel

Möchte man Bewegung messen, etwa die eines gehenden Menschen, ist es wünschenswert wenig Equipment zu benötigen und mit den vorhandenen Geräten genaue Daten zu erfassen, die schnell auszuwerten sind. Besonders die bildbasierte Ganganalyse konnte diese zwei Punkte jedoch nicht immer erfüllen, weshalb die Forschung in Richtung der sogenannten Inertialsensorbasierten Ganganalyse ging, wie sie zum Beispiel am Fraunhofer Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung durchgeführt wird. Dort wurde ein System entwickelt, das zum einen bestimmte Erkrankungen des muskuloskelettalen Systems erkennen, aber auch die Bewegungstherapie nach Schlaganfall oder Gehirntumor unterstützen kann.

Diplom-Ingenieur Martin Woitag, Wissenschaftlicher Mitarbeiter des Fraunhofer-Projekts, erklärt: „Der Vorteil der Inertialsensoren ist, dass man die Bewegungen nicht durch Kameras erfassen muss. Es gibt kamerabasierte Bewegungserfassungssysteme, bei denen ein Marker auf verschiedene Objekte geklebt wird und diese dann mit der Kamera erfasst werden. Das ist bei Inertialsensoren nicht der Fall, man benötigt keine Referenzsysteme, sondern befestigt den Sensor direkt am bewegten Objekt. Dieser sendet dann die Positions- und Orientierungsdaten an ein Empfangsgerät.“ Der Sensor selbst, pro Fuß einer, hat gerade einmal die Größe einer Streichholzschachtel und stört den Träger somit nicht.

Inertialsensoren sind klein und leicht am Objekt anzubringen

Erfasst werden die Fußbewegungen mittels verschiedener Beschleunigungs- und Drehratesensoren. Die hiermit erfassten Daten können dann zeitlich und räumlich in Beziehung gesetzt werden. Woitag erklärt es genauer: „Wir arbeiten hauptsächlich mit sogenannten Beschleunigungssensoren, die die Beschleunigung in drei verschiedenen Achsen messen und mit Drehratesensoren, die die Winkelgeschwindigkeit um eine Achse messen. Aus den so gewonnenen Messwerten lassen sich dann Orientierungen und Positionen im Raum ableiten, zum Beispiel, wo sich der Fuß im Raum befindet.“

 
 

Foto: Füße im Gehen

 
 

Die so gewonnenen Daten lassen sich einerseits zur Überprüfung der Gangsymmetrie verwenden, sich aber andererseits auch zur Überwachung und Dokumentation einer Therapie zum Beispiel während der Reha benutzen. Doch auch gänzlich andere Anwendungen sind mit Inertialsensoren möglich. So beschäftigt sich Martin Woitag derzeit mit der Möglichkeit von Inertialsensoren zur automatischen Zeiterfassung bei Montageprozessen – denn welche Bewegungen der Sensor misst, bestimmt die Anwendung. Ziel ist es zum Beispiel, die besten Positionen von Arbeitsmaterialien zu bestimmen: „Man führt eine Einlernphase durch, in der dem System verschiedene Positionen beigebracht werden. So lernt das Messsystem, welche Punkte es zu erfassen hat und welche nicht. Uneffektive Greifwege können somit ausgeschlossen werden. Aus den im ersten Schritt ermittelten Positionsdaten werden im zweiten Schritt die Zeitdaten abgeleitet. Denn für jeden Zeitpunkt liefern die Sensoren eine Position, und sobald eine bestimmte Position erfasst wurde, kann man die Zwischenzeit stoppen. So kann man die Gesamtdauer erfassen, etwa wie lange eine Greifbewegung dauert.“ Die ideale Bewegung und Zeitdauer ist somit dank der Daten bestimmbar – unwichtige Bewegungen wie etwa das Kratzen an der Nase werden automatisch herausgerechnet.

Bessere Prothesen für Beinamputierte

Auch in anderen Bereichen der Medizintechnik sollen Inertialsensoren demnächst verstärkt zum Einsatz kommen – zum Beispiel bei der Weiterentwicklung von Beinprothesen. Erst Ende des letzten Jahres wurde das Forschungsprojekt „Messtechnikbasierte Gangoptimierung“ mit dem Innovationspreis Medizintechnik 2010 ausgezeichnet. Das Ziel: Inertialsensoren in Beinprothesen sollen Daten zu Drehbewegungen, Beschleunigungen oder Neigungen von Prothese-Segmenten liefern. Professor Marc Kraft, Leiter des Projektes, erklärt in einer Pressemitteilung: „Wir wollen eine mobile Ganganalyse entwickeln, also eine Messtechnik, die in die Prothese integriert wird, damit die Bewegungsdaten des Patienten nicht nur unter Laborbedingungen, sondern in realen, alltäglichen Situationen und im Sanitätshaus, bei der Versorgung des Patienten gemessen werden können.“ Prothesenträger können also darauf hoffen, in Zukunft besser auf ihre Bedürfnisse abgestimmte Prothesen zu erhalten.

Simone Ernst
COMPAMED.de