Ausgangssituation
Ob Freizeit- oder Profisport, wo mit ganzem Einsatz um den Sieg gekämpft wird, bleiben Verletzungen nicht aus. 30 % aller Verletzungen im Sport betreffen die Muskeln. Bei einem Muskelfaserriss oder Abriss des Muskels ist der Weg zum Krankenhaus oft obligatorisch. Vor allem an Gelenken in Schulter, Hüfte und Knie laufen viele Muskeln und Bänder zusammen, sodass komplexe und schmerzhafte Verletzungen resultieren. Für die Diagnostik derartiger Verletzungen ist klar zwischen (1) strukturellen Schäden (bspw. Knochenbruch, Sehnenriss) und (2) funktionellen Schäden (bspw. Muskelzerrung) zu unterscheiden. Im Fall von (1) gehören bei Knieverletzungen Röntgen, Ultraschall und Magnet-Resonanz-Tomographie (MRT) zur Routinediagnostik. Mit Ausnahme von offenen Verletzungen wird in 60 - 80 % der Fälle ein MRT zur Diagnose durchgeführt. Bei funktionellen Schäden (2) stellen Muskelzerrungen einen tückischen und häufig vorkommenden Fall dar. Deren Bedeutung wird oft unterschätzt und bildgebende Verfahren können diese nur mittels sehr hochauflösendem MRT identifizieren. Üblicherweise werden funktionelle Tests in Form von Beweglichkeits- und Kraftprüfungen durchgeführt und unterliegen der subjektiven Bewertung des Arztes sowie der willentlichen Bewegungsausführung des Patienten. Ein muskelspezifischer Befund ist nicht möglich.
Wenig Beachtung in der Diagnostik findet bisher die Elektromyographie. Sie ist ein hochwertiges diagnostisches Instrument zur funktionellen Befunderhebung der Muskulatur in Ruhe und in Bewegung. Das Elektromyogramm (EMG) misst den Verlauf elektrischer Erregung der Muskulatur.
Zu langsam, zu aufwändig — diese zwei Faktoren verhindern bisher die breite Einführung der Elektromyographie in der klinischen Diagnostik. Je zwei EMG-Elektroden je Muskel müssen bisher sehr präzise auf allen Muskeln platziert werden, um die Aktivierung reproduzierbar zu messen. Eine langwierige Prozedur.
Projektziel
Diesen Problemen nahm sich das Forschungsvorhaben an. Das Ziel bestand in der Entwicklung von Schlüsseltechnologien für ein diagnostisches Werkzeug auf Basis des EMGs zu schaffen, mit dem der Arzt bei einer traumatischen Verletzung des Knies in Folge eines Unfalls oder direkt nach einem chirurgischen Eingriff eine muskuläre Funktionsdiagnose schnell und einfach vornehmen kann. Der Lösungsansatz umfasste ein flexibles Elektrodenarray, das alle Elektroden sowie Ableitungskabel in einer elastischen Silikon-Polymermatrix vereint und mit einem Handgriff appliziert werden kann. Die flächige EMG-Messung mit vielen kleinen Einzelelektroden bietet den Vorteil, dass die exakte Palpation einzelner Muskeln entfällt und der gesamte Muskelapparat in einer Messung aufgenommen werden kann. Zur Auswertung der vielen anfallenden Messsignale sollte eine KI entwickelt werden, die eine Signal-Zuordnung und Vorinterpretation ermöglicht.
Lösungsweg / Ergebnisse
Im Projekt wurden erfolgreich Demonstratoren von Elektroden-Arrays mit bis zu 128 Elektroden sowie den zugehörigen Signalableitungen in Form von Leiterbahnen im Digitaldruckverfahren auf einer Silikonmatrixfolie hergestellt. Dafür mussten verschiedene silikonbasierte leitfähige Tinten für den Digitaldruck qualifiziert werden. Für die flexiblen Elektroden wurden Formulierungen aus Silikon und Carbon-Nanotubes (CNTs) entwickelt. Die resultierenden Elektroden konnten hinsichtlich ihrer Kontaktimpedanzen zur Haut auf Werte < 10 kΩ optimiert werden. Die Impedanzen innerhalb der Elektroden werden durch mechanische Belastung in Form von Dehnung nur wenig beeinflusst. Die Leitfähigkeiten bleiben bei bis zu 50 % Dehnung erhalten, die Impedanz steigt dabei um ca. 50 – 80 % an. Die Leiterbahnen basieren auf Formulierungen von Silikon und mikropartikulärem Silber. Der Druck erfolgte in mäandrierender Form, um der prinzipiellen Flexibilität der gesamten Matrix Rechnung zu tragen. Dadurch konnten Dehnungen der Leiterbahnen um bis zu 30 % mit nur einem geringen Anstieg des Widerstandes dargestellt werden. Die Widerstände der Leiterbahnen von den Elektroden bis zur Signalaufnahme betrugen zwischen 10 Ω und 20 Ω, je nach Leitungslänge.
Zur Validierung der Funktionsfähigkeit des Elektrodenarrays wurde im Rahmen des Forschungsvorhabens eine Messapparatur zur Nachstellung von menschlicher Haut entwickelt. Diese diente ebenfalls zur Einspeisung von Messsignalen zum Training der entwickelten künstlichen Intelligenz. Für die eingespeisten Messsignale wurden dabei zum Teil real in Zusammenarbeit mit Kliniken gesammelten EMG-Daten einerseits und andererseits aus Modellierungen sowie Simulationen gesammelte Messdaten genutzt. Eine breite Datenbasis konnte somit zur Verfügung gestellt werden.
Abb.: Hergestellter Demonstrator aus 8x16 Elektroden sowie Signalableitungen.
Dank
Das IGF-Vorhaben 01IF22708N der Forschungsvereinigung „FILK Freiberg Institute gGmbH, Meißner Ring 1- 5, 09599 Freiberg“ wurde über die AiF, später die DLR im Rahmen des Programms zur Förderung der „Industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF)“ vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Wir bedanken uns für die gewährte Unterstützung.
