Title (eng): Design of an intelligent orthosis in support of the locomotor system

Description (eng): Masterarbeit, 2019, CC BY-NC-ND 3.0 AT

Abstract

The "intelligent orthosis" project started in september 2018 in cooperation with the MCI Management Center Innsbruck - department of mechatronics and shows a new solution to the approach of how an intelligent orthosis can make everyday life easier for cerebral palsy patients in the future. The main problem of the target group is the muscle weakness/drop foot, which leads to a deviating gait pattern and a decreased walking speed. During the project, contact was established with a cerebral palsy patient, who volunteered for the project. Through this contact with this "specific user", a further problem was identified – namely reduced muscle activity of the leg. Due to the minimal lifting in the „swing phase“ of the leg, many patients´ feet are angled inside which causes unstable ground contact.

Together with a group of students [4] from MCI‘s bachelor class, the first technical and functional principles were selected, which focused on these two problems. In summary these are the drop foot and the foot’s angulation before ground contact (toe-out angle correction). This mechanism of correction must be activated in a few hundreds of milliseconds during the swing phase (foot has no ground contact) in order not to restrict the patient while walking. The hip position is only detected by sensors and is not actively supported by a further motor. The user receives passive feedback from vibration motors. Due to this passive, non-motor support, the patient has the possibility to correct the deviation by himself (training function). Various sensors (gyroscope, acceleration sensor, pressure sensor, encoder,...) can be used to evaluate the angle of the hip and knee position. For example, an encoder detects the hip position. The project was limited to the reference leg (patient‘s right leg). The product is operable by a smart phone app and enables the patient to choose individual settings for active motor support or to switch on/off the passive feedback.

In course of an observational gait analysis (RLANRC-system - 8 gait phases) a third problem could be analysed, due to an intensive muscle research, namely a balance problem results from muscle weakness, especially in the monopod phase. Two additional air cushion pockets (foot sole area and calf area) counteract the patient‘s sense of equilibrium in a sensory way through targeted air support. The intelligent orthosis presents a good mixture of an active motor support and a training function (passive feedback). By an intensive investigation on the cause problems of the foot lift weakness, a purposeful solution strategy could be defined. The conclusions of the research, the problem definition, the analysis and the subsequent expert talk were fundamental for the new design. On the one hand, this is made possible by patent-oriented methods and, on the other hand, by production methods that will be used in the future in order to have the product manufactured fast and affordable. Furthermore, the design ensures a improved attachment to the leg, a user-friendly handling and the courage to distinguish itself from conventional medical products.

Abstract (Deutsch)

Das Projekt „intelligente Orthese“ hat im September 2018 in Kooperation mit dem MCI - Management Center Innsbruck - Mechatronik gestartet und zeigt ein neues Konzept bzw. neuen Lösungsansatz, wie man künftig den Alltag für Zerebralparese Patienten durch eine neue intelligente Orthese erleichtern kann. Das Hauptproblem der Zielgruppe ist die Muskelschwäche/Fußheberschwäche, die zu einem abweichenden Gangbild und einer starken Verlangsamung der Gehgeschwindigkeit führt. Während dem Projekt wurde ein intensiver Kontakt zu einem Zerebralparese Patienten hergestellt, der sich freiwillig zur Verfügung gestellt hat. Durch den Austausch mit unserem „specific User“ konnte ein weiteres Problem festgestellt werden, welches aus der eingeschränkten Muskelaktivität resultiert. Durch die geringe Anhebung des Beines in der „Schwung-Phase“ ist bei vielen Patienten die Ausrichtung des Fußes nach innen geneigt und sorgt für einen unsicheren Bodenauftritt des Fußes.

Gemeinsam mit einer Studentengruppe [4] aus den Bachelor Jahrgang des MCI wurden erste technische Funktionsprinzipien ausgearbeitet, die sich speziell auf diese zwei Probleme fokussiert haben. Zusammenfassend sind diese die Fußheberschwäche und die Ausrichtung des Fußwinkels vor dem Bodenkontakt. Der korrigierende Mechanismus muss in wenigen hundert Millisekunden während der Schwungphase (Fuß hat keinen Bodenkontakt) erfolgen, um den Patienten nicht beim Gehen einzuschränken. Die Hüftposition wird nur mittels Sensoren detektiert und nicht aktiv unterstützt durch einen weiteren Motor. Der User erhält über Vibrationsmotoren ein passives Feedback. Durch diese passive, nicht motorische Unterstützung, hat der Patient die Möglichkeit selbst die Abweichung zu korrigieren (Trainingsfunktion). Verschiedene Sensoren (Gyroskop, Beschleunigungssensor, Drucksensor, Encoder...) können die jeweilige Abwinkelung der Hüfte und des Knies evaluieren. Zum Beispiel detektiert ein Encoder die Position der Hüftstellung. Das Projekt beschränkte sich auf das Referenzbein (rechtes Bein des Patienten). Das Produkt soll mittels Smartphone App bedienbar sein und dem Patienten künftig die Möglichkeit geben, individuelle Einstellungen für die aktive Motorunterstützung vorzunehmen bzw. ein passives Feedback ein oder auszuschalten.

Im Zuge einer beobachtenden Gehanalyse (RLANRC-system - 8 Gangphasen) und einer intensiven Muskelrecherche konnte ein drittes Problem analysiert werden, nämlich ein aus der Muskelschwäche resultierendes Gleichgewichtsproblem, speziell in der Einbein-Stand-Phase. Zwei zusätzliche Luftkissenpockets (Fußsohlenbereich und Wadenbereich) wirken durch gezielte Luftunterstützung dem Gleichgewichtsgefühl des Patienten sensorisch entgegen. Die intelligente Orthese zeigt eine gute Mischung aus aktiver Motorunterstützung und einer Trainingsfunktion (passives Feedback). Durch die intensive Auseinandersetzung mit den Ursachen-Problemen der Fußheberschwäche, konnte eine gezielte Lösungsstrategie definiert werden. Die Erkenntnisse der Recherche, der Problemdefinition, der Analyse und des anschließenden Expert Talks waren fundamental für ein neues Design. Dieses erschließt sich auf der einen Seite aus Patentien orientierte Methoden und auf der anderen Seite aus zukünftig verwendende Produktionsmethoden, um das Produkt günstig und schnell fertigen zu lassen. Im Weiteren sorgt das Design für eine verbesserte Anbringung am Bein, eine usergerechte Handhabung und den Mut sich von herkömmlichen medizinischen Produkten abzugrenzen.

Object languages: English

Author: Frank, V. (Viktoria)

Member of the Collection(s) (1):
o:1856 Design of an intelligent orthosis in support of the locomotor system
Permanent Identifier
http://phaidra.ufg.at/o:1822