MEMS-Mikrofone und piezoelektrische Streifen nehmen Geräusche eines sich biegenden und ausdehnenden Knies auf. (Kredit: Georgia Tech)MEMS-Mikrofone und piezoelektrische Streifen nehmen Geräusche eines sich biegenden und ausdehnenden Knies auf. (Kredit: Georgia Tech)

"Es ist ein bisschen wie eine Art von Halloween-Zeug", sagt Omer Inan. "Du hörst auf deine Knochen, die aneinander reiben, oder vielleicht auf Knorpel."

Ingenieure entwickeln ein akustisches Knieband, das mit Mikrofonen und Vibrationssensoren ausgestattet ist, die Geräusche innerhalb des Gelenks hören und messen können. Dies könnte dazu führen, dass Orthopädiespezialisten Schäden nach einer Verletzung einschätzen und den Genesungsprozess verfolgen können.

Omer Inan, Assistenzprofessor für Elektro- und Computertechnik an der Georgia Tech, hat seit einiger Zeit über die Entwicklung eines solchen Geräts nachgedacht. Er ist ein ehemaliger Diskuswerfer an der Stanford University und hat jahrelang wie ein Tornado herumgewirbelt, für den die Knie nicht gebaut sind. Deshalb hat er selbst ziemlich viele Knieschmerzen erlitten.

"Ich hätte immer das Gefühl, dass mein Knie knarrt oder knallt, wenn ich mehr Druck darauf lege", sagt er.


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Als er in frühen Experimenten die ersten Aufnahmen knirschenden Mahlens hörte, war Inan entzückt. "Es war viel lauter als erwartet und viel klarer." Das bedeutete sofortigen Fortschritt. "Es ist ein bisschen wie Halloween. Du hörst dir an, wie deine Knochen aneinander reiben oder vielleicht Knorpel. "Ärzte nennen das Gelenk" Crepitation ".

Vor einigen 100-Jahren dachten Ärzte, dass der Schläger eine Nachricht enthalten könnte und hörten sie mit Stethoskopen. In der Hoffnung, dass die medizinische Forschung in Zukunft auf der akustischen Sensortechnologie aufbauen wird, die seine Gruppe entwirft, und schließlich den Klang in nützliche Muster entschlüsselt.

Für den Moment zeichnen die Forscher die aufgezeichneten Audiodaten auf und passen sie an die Beweglichkeit des Gelenks an, um zu sehen, wo genau sich das Bein beim Ausstrecken und Biegen des Knies knarrt und knallt. Das Ergebnis weist Spitzen und Kringel auf, die einem Elektrokardiogramm oder einem anderen physiologischen Signal ähneln.

Das akustische Muster eines verletzten Knies unterscheidet sich deutlich von dem eines intakten Knies. "Es ist unberechenbarer", sagt Inan. "Ein gesundes Knie erzeugt ein einheitlicheres Geräuschmuster."

Soldaten und Wiederholungsverletzungen

In Kombination mit medizinischer Forschung könnte das akustische Gerät zu kostengünstigen, tragbaren Monitoren führen, von denen Sportler profitieren können, die ihre Knie überlastet haben, sowie ältere Patienten, die ausgerutscht und gestürzt sind. DARPA, das die Arbeit finanziert hat, möchte wiederholte Knieverletzungen auf dem Schlachtfeld reduzieren und dazu beitragen, dass Soldaten sicher wieder im Dienst sind.

"Was die meisten Menschen nicht wissen, ist, dass muskuloskelettale Verletzungen der Knie und Knöchel zu den Hauptentlassungsgründen für aktive Dienstmitglieder gehören", sagt Inan. Rucksäcke mit einem Gewicht von bis zu 100 Pfund drücken auf Soldaten, während sie Dutzende von Meilen über schwieriges Terrain marschieren, über Hindernisse auf Schlachtfeldern klettern und stundenlang an engen Stellen kauern.

Selbst ohne einen Sturz oder eine Verdrehung kann ein Soldat in der Chirurgie und dann in der Reha landen. Das Problem scheint Monate später behoben zu sein, aber zu oft ist es nicht, und das ist oft wegen einer erneuten Verletzung.

Nach der Operation und Therapie kann sich dieses Knie wie neu anfühlen, aber wenn ein übereifriger Soldat darauf zurückspringt, treten Verletzungsschwachen auf. Infolgedessen sind die erneuten Verletzungen 10-mal häufiger als die anfänglichen.

Ein kostengünstiges tragbares Gerät könnte Soldaten und Ärzten in Zukunft Rückmeldungen über die Genesung von Knien geben, um ihnen zu helfen, größere Verletzungen zu vermeiden, indem sie bei Bedarf auf schwere Arbeitslasten verzichten.

Davon könnten auch die Service-Mitglieder langfristig profitieren. Im Laufe der Zeit häufen sich Gelenksverletzungen, die pensionierte Servicemitarbeiter für lange Zeit ins Zivilleben bringen, um sich zu verletzen und ihre Mobilität zu verlieren. "Sie können Fälle von früher Osteoarthritis haben", sagt Inan.

Fremdgeräusche

Aber zu diesem Zeitpunkt besteht Inans Mission darin, die Klänge in potentiell nützlicher Qualität aufzunehmen, was einige Herausforderungen mit sich gebracht hat. Das Kniegelenk ist von Flüssigkeit umgeben, die Schallwellen, die das Gelenk für die Haut verlassen, abschwächt. Auch wenn sich ein Patient bewegt, verursacht er Fremdgeräusche, die nützliche Geräusche übertönen können.

"Die Tatsache, dass die Messung während der Bewegung per definitionem erfolgen muss, ist eine Herausforderung, denn man kann der Person nicht nur sagen, dass sie still ist und Bewegungsartefakte vermeidet", sagt er.

Um das akustische Gerät zu entwickeln, kombinierten die Forscher Mikrofone mit piezoelektrischem Film, einem hypersensitiven Vibrationssensor, der den besten Klang sammelt, aber sehr empfindlich auf Interferenzen reagiert. Die Mikrofone, die auf der Haut platziert werden, sorgen für eine ausreichende Unterstützung und für ein praktischeres Gerät.

Der Knie-Monitor nutzt auch einen technischen Fortschritt, der in Smartphones üblich ist. Mikroelektromechanische Systemmikrofone (MEMS) integrieren sich besser in die aktuelle Technologie als Mikrofone, die auf früheren Technologien basieren. Das macht auch die Mikrofone ausgesprochen billig - nur 50-Cent zu einem Dollar.

Das DARPA Biological Technologies Office unterstützte die Arbeit. Das Papier ist online in der Zeitschrift veröffentlicht IEEE-Transaktionen in der Biomedizintechnik.

Quelle: Georgia Institute of Technology


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