S2: Erfassung physiologischer Parameter an der Prothesenschnittstelle

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Hagen Malberg
• Fachliche Zuordnung: Biomedizinische Systemtechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 550772260

Die Schnittstelle von Prothese und Haut unterliegt mechanischen und thermischen Belastungen und kann Probleme wie Schmerzen, Stumpfatrophie und Gewebeschäden hervorrufen. In Anbetracht dieser komplexen Dynamiken ist ein vertieftes biomechanisches Verständnis der internen Schnittstellenumgebung unerlässlich, speziell im Hinblick auf das interfasziale Spannungsprofil. Dies ist entscheidend, um das Risiko für Verletzungen und Gewebeschäden zu minimieren und die Akzeptanzraten der Prothesen zu erhöhen. Ein Monitoring-System soll zur Früherkennung von Verletzungsrisiken beitragen und eine automatische Anpassung der Prothesenschaft-Geometrie ermöglichen. Nach derzeitigem Stand der Technik ist es nicht möglich, tagesabhängige Volumenschwankungen im Gewebe zu quantifizieren und lokalisieren. Das Ziel der FOR 5493 ist die Optimierung der prothetischen Versorgung unter Berücksichtigung der intraindividuellen Gewebevariabilität durch eine sensorbasierte Schnittstellenanalyse und Adaption des Prothesenschaftes. Das Teilvorhaben fokussiert sich auf ein multimodales Sensorsystem, welches die Komplexität der Schnittstelleninteraktion durch die objektive Messung verschiedener Biosignale erfasst. Das Sensorsystem soll als Inlay direkt in die Schnittstelle integriert werden. Um dabei den Komfort nicht zu beeinträchtigen, erscheint der vielversprechendste Ansatz, das Sensorarray vollständig aus einem elastischen Polymer aufzubauen. Die Realisierung eines Sensorarrays mit möglichst geringem Additivierungsgrad (≤ 5 Masse-%), zur Beibehaltung elastischer Polymereigenschaften, sowie eine Miniaturisierung der Elektroden und Leiterbahnen ist Forschungsgegenstand dieses Teilvorhabens. An einem Prüfstand werden alltägliche Belastungsszenarien simuliert, um die Robustheit der Sensorik experimentell zu untersuchen. Sensorsignale werden hinsichtlich ihrer Signalmorphologie und Heterogenität der Signalverteilung charakterisiert. Weiterführend wird im Rahmen explorativer Untersuchungen mittels Feature Engineering nach innovativen Merkmalen gesucht, um den Zustand des residualen Stumpfes umfassend zu evaluieren. Den Schlüssel zum Lokalisieren von Volumenschwankungen stellt die Verarbeitung der extrahierten Signale dar. Diese werden zunächst separat in neuronalen Netzen ausgewertet, über Netzwerkauftrennung übergeordnete Merkmale extrahiert und diese vergleichend in einem Multi-Branch-Ansatz trainiert. Über Transferlernen soll das Modell für projektspezifische Belastungsszenarien optimiert werden. Am Ende des Projekts steht die Lokalisierung der Volumenschwankungen, die als Übergabeparameter von den Forschungspartnern der FOR genutzt werden. Als langfristiges Ziel sollen mit dem Teilvorhaben der FOR 5493 sowohl ein innovativer Sensoraufbau als auch neue Methoden der Signalauswertung geschaffen werden, die zukünftig in Experimenten am Patienten in der Dynamik weiter untersucht werden können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen