Der Elektrotechniker Michael Tschiedel entwickelte eine Beinprothese mit smarter Sensorik. Das Gehen wird dadurch harmonischer, das schützt vor physiologischen Schäden.
Wer einmal versucht hat, länger auf einem Bein zu stehen, weiß, wie schnell man dabei aus der Balance gerät. Ganz zu schweigen davon, sich einbeinig fortzubewegen. Menschen, die krankheitsbedingt oder wegen eines Unfalls ein Bein durch Amputation verloren haben, stehen abseits der seelischen Probleme vor der Aufgabe, das Gehen wieder völlig neu zu erlernen. Orthopädische Hilfsmittel, wie beispielsweise moderne Knieprothesen stellen eine wertvolle Hilfe dar.
„Ich habe mich immer schon weniger als Grundlagenforscher, vielmehr als Wissenschaftler für anwendungsorientierte und industrienahe Themenbereiche gesehen“, sagt der 28-jährige Michael Tschiedel. Der Elektrotechniker entwickelte im Rahmen seines Dissertationsprojekts und in Kooperation mit der Firma Ottobock Healthcare Products intelligente Knieprothesen. Dafür erhielt er im Dezember den Dr.-Ernst-Fehrer-Preis der TU Wien.
Treppensteigen machte Probleme
Tschiedel setzte sich mit einachsigen, mikroprozessgesteuerten passiven Kniegelenken auseinander. Im Speziellen gehe es um Knieprothesen, die unterhalb des Oberschenkels befestigt werden und im hinteren Bereich einen Hydraulikzylinder integriert haben, erklärt er. „Über Sensoren wird der Dämpfungswiderstand beim Gehen gesteuert.“ Bis jetzt können diese Sensoren in den Beinprothesen nur physikalische Größen, wie etwa die Geschwindigkeit oder die Beschleunigung, messen.
In der Praxis funktionierten sie für die Patientinnen und Patienten beim Gehen auf flachem Gelände schon recht gut. Bei Aktivitäten wie beim Treppensteigen oder beim Gehen auf Rampen können die Prothesen an ihre Grenzen stoßen, so Tschiedel. „Zu Beginn meines Dissertationsprojekts im Herbst 2018 stellten wir uns die Frage, welche Ansätze es geben könnte, um die Knieprothesen noch weiter zu optimieren. Sogenannte Umgebungssensoren waren damals schon in aller Munde.“
Dabei handelt es sich um Sensoren, wie sie beispielsweise fürs autonome Fahren oder in der Robotikindustrie bereits zum Einsatz kommen. Technisch sind diese in der Lage, ihr Umfeld zu erkennen. Generell gibt es derzeit zwei Arten, wie Umgebungssensoren angewendet werden können. Tschiedel: „Zum einen besteht die Option, dass Sensoren die direkte Umgebung, wie Hindernisse, Treppen oder Ähnliches wahrnehmen, und zum anderen die Möglichkeit, dass der Patient direkt detektiert wird.“
Das gesunde Bein ist im Fokus
Der Forscher entschied sich für die zweite Variante, die den Bewegungsablauf des gesunden Beins beobachtet, um dadurch mit der Beinprothese zu interagieren. Viel Wissen und Technologie stecke vor allem im intelligenten Verschalten der Elektronik wie auch in komplexen Algorithmen. „Die Philosophie meiner Arbeit ist jene, dass der Anwender die Prothese steuert und nicht umgekehrt“, betont Tschiedel.
Eine klinische Studie mit einem Prototypen habe erste Erfolge und klare Vorteile für die Patientinnen und Patienten gezeigt. Das Gehen werde viel harmonischer, und die Anwenderinnen und Anwender bekommen im Gegensatz zum alten Prothesenkonzept weniger Stöße auf den Körper. Der Mensch habe ein sehr hohes Plastizitätsvermögen, so der Forscher, und gewöhne sich schnell an Fehlstellungen. „Gut ist bei einer Prothese nicht gut genug, weil bei einem schlechten Gangbild binnen zwei bis fünf Jahren Hüftleiden und Überbeanspruchungen des gesunden Beins entstehen können.“
In seiner Freizeit beschäftigt sich Tschiedel unter anderem mit dem Digitalisieren von alten Fotonegativen aus einem historischen Wiener Fotoatelier seiner Familie. „Persönlichkeiten des beginnenden 20. Jahrhunderts, wie Arthur Schnitzler oder Giacomo Puccini, können einem da schon unterkommen.“ Um von aller Theorie wegzukommen, schwingt der Elektrotechniker mit seiner Frau auch ganz gern das Tanzbein. Und so freut es ihn besonders, dass die Ballsaison heuer nach den vergangenen Pandemiejahren nicht ins Wasser fällt.
Zur Person
Michael Tschiedel (28) wuchs in Wien, Niederösterreich und im Burgenland auf. Er studierte Elektro- und Informationstechnik sowie Biomedical Engineering an der TU Wien. 2022 promovierte er am dortigen Institut für Biomedizinische Elektronik mit einer Arbeit zu intelligenten Beinprothesen sub auspiciis. Für seine Forschung erhielt er im Dezember den Dr.-Ernst-Fehrer-Preis der TU Wien.
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