Idee, Design, Projektorganisation:   Andreas Döpkens
Programmierung:   Brian Schüler

Ein medizinisches Diagnosegerät zur Erkennung von Impulskraft-Defiziten in erkrankten Gelenken nach einer Luxation

In eigener Sache: Die Idee für acaJoints entstand 2018, als wir für die geplante Drums-Erweiterung unseres musikalischen acaChords Projektes erste Impuls-Messungen an Piezo-Sensoren vornahmen. Diese Piezos waren an sog. Silent Drum Pads befestigt. (Silent Drum Pads werden aufgrund ihrer geringen Geräuschverursachung im Gegensatz zu herkömmlichen "Trommeln" gerne von Schlagzeugern zum Üben verwendet, besonders wenn es in der Mietwohnung aus Rücksicht auf die Nachbarn nicht zu laut werden darf.) Als ich mit zwei Drum-Sticks jeweils in der linken und rechten Hand die beiden an einen Mikrokontroller angeschlossenen Piezo-Drum-Pads "triggerte" (=betrommelte), sagte Brian, der den Code hierfür geschrieben hatte und die Messungen auf dem Bildschirm beobachtete: "Du, Andreas, deine rechte Hand ist viel stärker als die linke."

Ziemlich deutlich und objektiv ergaben wiederholte Kontroll-Messungen, dass dem tatsächlich so war. Meine linke Schlagzeug-Hand (das sind insbesondere die die Drum-Sticks sehr schnell bewegenden Mittel-, Ring- und Kleiner-Finger) ist deutlich schwächer als die rechte. Der erste begründete Verdacht für diese Beobachtung liegt auf der Hand - er liegt im wahrsten Sinne auf der "Hand", denn unter Berücksichtigung der Links- oder Rechtshändigkeit ist die schwache Hand natürlich schwächer als die starke Hand. Da ich Rechtshänder bin, ist zwangläufig meine linke Hand schwächer. Aber im vorliegenden Fall verhielt es sich nicht ganz so selbstverständlich, denn meine beiden Hände sind gleichermaßen für das Schlagzeugspielen trainiert, sollten also gleich stark sein. Aber das waren sie offensichtlich nicht, wie die Messungen deutlich zeigten. Dennoch war dieses Messergebnis für mich nicht ganz so überraschend, denn schon seit Jahren hatte ich das "Gefühl", dass meine beiden Hände nicht wirklich gleich stark waren. Dass der Unterschied jedoch so groß war, wie die Messungen ergeben hatten, war für mich tatsächlich überraschend.

Zu meiner linken und deutlich schwächeren Hand gibt es eine pathologische Vorgeschichte. Ich hatte mir die linke Hand (sowohl die ganze Handinnenfläche als auch sämtliche Finger) zirka 15 Jahre zuvor bei einem Gerüstaufbau verletzt, war aber der Meinung, die Verletzung würde sich mit der Zeit von selbst ausheilen. Da ich diese Hand in den Wochen danach nicht schonte, konnte die Verletzung aber, das weiß ich heute, nicht richtig ausheilen. Die Konsequenz sind starke Bewegungseinschränkungen, Koordinationsdefizite und ständige Schmerzen, die bis heute anhalten. MRTs haben ergeben, dass ich mir bei der Gerüstaufbauverletzung mehrere Mikro-Bänderrisse zugezogen haben muss, die aber aufgrund meiner Weiterbelastung der Hand nicht richtig ausheilen konnten, sondern an den verletzten Stellen massiv vernarbten. Diese Narben im Gewebe verursachen heute noch die Bewegungsbeeinträchtigungen, Koordinationsinsuffizienzen und Schmerzen.

Als Folge aus dieser Erfahrung, dass Brian und ich die Impulskraft-Schwäche meiner linken Hand (insbesondere der Finger) messtechnisch quantisieren konnten, entstand die Idee für das acaJoints Projekt, das unten noch genau beschrieben wird. In Verbindung mit gezielten Schnelligkeits- und Kraftübungen für meine linke Hande benutze ich acaJoints heute noch regelmäßig für die Überprüfung der durch die Übungen erfolgten Verbesserungen des geschwächten Handzustandes.

acaJoints aus medizinischer Sicht - die Luxation

Wie der Projektname schon sagt, dreht es sich bei acaJoints primär um luxationsbedingte (Luxation = Verrenkung) Gelenkschädigungen. Ist eine derartige Schädigung gegeben, dann wird sich diese dergestalt zeigen, dass die aus diesem Gelenk heraus angewendete Beweglichkeit und damit auch Impulskraft je nach Schädigungsgrad mehr oder weniger stark zurückgeht, denn die betroffene Person hat in diesem Gelenkbereich Schmerzen, was in einer intensiven Schonhaltung resultiert. Aber nicht nur durch Luxation verursachte Gelenkbewegungsdefizite können mit acaJoints durch objektive Messungen in ihrem Ausmaß offengelegt werden, sondern die klinischen Diagnosemöglichkeiten mithilfe von acaJoints erstrecken sich allgemein auf folgende Bereiche:

- Arthritis (Gelenkentzündungen)
- Arthrose (Gelenkverkalkung)
- Parkinson (zeitlich reduzierte/versetzte Bewegungsabläufe)
- essentieller Tremor (zitternd-instabile zeitliche Bewegungsabläufe)
- kognitive Störungen, die als Folge sowohl fein- als auch grobmotorische Dissonanzen verursachen

Neben Frakturen oder Bänderverletzungen sind es insbesondere Luxationen an den verschiedenen Gelenken, die nicht nur bei Sportverletzungen auftreten, sondern auch bei Unachtsamkeiten im Alltag. Ältere Menschen neigen angeblich eher zu Luxationen als junge, denn mit dem Alter verschleißen Sehnen, Bänder und Knochen, dadurch werden die Gelenke instabilder. Wer hätte es gedacht: Junge Männer verrenken sich angeblich öfter Gelenke als Frauen, da sie häufiger riskante Sportarten betreiben. Kinder vor dem 7. Lebensjahr erleiden dagegen nur selten eine Luxation. Ihre Knochen sind noch flexibler und können bei Gewalteinwirkung besser ausweichen. Eine Sonderform der Ellenbogen-Verrenkung, die Chassaignac-Lähmung, kommt jedoch fast ausschließlich bei Kindern vor. Diese Form von unvollständiger Luxation (Subluxation) entsteht, wenn man ein Kind ruckartig am Arm zieht. (Also liebe Eltern, auch wenn ihr manchmal genervt seid ...)

Ursache einer traumatischen Luxation können starke Belastungen, plötzliche Stürze oder Aufprälle sein. Die plötzliche starke Gewalteinwirkung kann die Gelenkflächen so verschieben, dass sie auseinanderweichen. Die habituelle Luxation hingegen beruht auf einer angeborenen oder erworbenen Gelenkinstabilität, die auf anlagebedingte Muskel- oder Bindegewebsschwäche zurückzuführen ist, oder etwa aufgrund zu lockerer Bänder. Es genügt dann oft schon eine minimale Beanspruchung, und das betroffene Gelenk ist verrenkt.

Die pathologische Luxation entsteht nach medizinischen Aussagen dagegen infolge einer chronischen Gelenkschädigung oder einer Gelenkentzündung mit Kapselüberdehnung. Auch bei einer Gelenkzerstörung sowie infolge von Muskellähmungen kann es zu einer pathologischen Luxation kommen. Ebenso gibt es Fälle einer angeborenen Luxation. Manche Kinder kommen bereits mit einem ausgerenkten Gelenk zur Welt oder neigen von Geburt an zum wiederholten Auskugeln eines Gelenkes, wenn dieses eine Fehlbildung (Dysplasie) aufweist.

Beim Auseinanderdriften der Knochenenden können bei einer Luxation umliegende Gefäße, Nerven, Sehnen und Muskeln beschädigt werden; das betroffene Körperteil (z.B. Finger, Arm, Schulter, Kniegelenk usw.) lässt sich dann nur noch wenig oder gar nicht mehr bewegen. Wegen der daraus resultierenden heftigen Schmerzen nimmt der Patient meist eine Schonhaltung für das betroffene Körperteil an. Je öfter ein Gelenk luxiert, desto leichter passiert es wieder, da die umliegenden Strukturen "ausleiern". Hin und wieder sind in solchen Fällen Operationen notwendig. Manchmal bricht beim Ausrenken auch einer der am Gelenk beteiligten Knochen vollständig durch, oder ein kleines Knochenstück bricht ab. Mediziner sprechen dann von einer Luxationsfraktur (Verrenkungsbruch). Spätestens dann ist ein operativer Eingriff nötig. Auch bei jüngeren, sportlich aktiven Menschen wird eine Verrenkung oftmals operiert, um das Risiko für erneute Luxationen zu senken. Bei dem Eingriff kann der Arzt den überdehnten Kapsel- oder Bandapparat straffen und dem Gelenk so wieder mehr Stabilität geben.

Der primäre Verwendungszweck von acaJoints ist geplant in der therapeutischen Behandlung nach einer Luxation, auch unter dem Namen Reha bekannt. Bei der physiotherapeutischen Arbeit geht es dann darum, ein verletztes Gelenk wieder zu stabilisieren und es belastungsfähig zu machen, damit keine frühzeitige Arthrose befürchtet werden muss. Wie alle physiologischen Heilungsprozesse läuft auch die Heilung nach einer Luxation in Phasen ab. Entscheidend ist, dass in jeder dieser Heilungsphasen die Balance zwischen Ruhe und Entlastung einerseits und Bewegung und Belastung andererseits gefunden wird. Unter Schonung des verletzten Gelenkes wird mit der Mobilisation begonnen und zeitgleich ein Erhalt der Muskulatur mit Kräftigung durchgeführt, ohne das heilende Gewebe erneut zu schädigen. Hier ist es acaJoints, das durch seine Sensoren genau ermitteln kann, wie stark eine aktuell ausgeübte, aus dem Gelenk kommende Impulskraft gerade ist, ob diese in Koordination mit anderen (gesunden) Gelenken im richtigen Zeitbereich liegt und ob sie, vom geduldigen oder ungeduldigen Patienten unterschiedlich stark ausgeübt, von der Intensität im richtigen Maß zur vorgesehenen Therapie des Physiotherapeuten liegt. Besonders im feinmotorischen Bereich existiert nach einer Gelenkverletzung eine geradezu hilflose Unfähigkeit, exakt dosierte Impulskräfte zu mobilisieren. In der Heilungs- bzw. Reparationsphase sollte das Bewegungsausmaß nicht überstrapaziert werden. Hierdurch kämen die verletzten Strukturen zu sehr unter Spannung und die Vernarbung des in Heilung begriffenen Gelenk-Komplexes würde gestört. In dieser Phase ist nach medizinischen Erkenntnissen eine eingeschränkte Beweglichkeit zu beobachten, deren Ursache in einer Fibrosierung (= Umbauprozess von Organgewebe; es kommt zu einer verstärkten Vermehrung von Bindegewebe) der Gelenkkapsel zu sehen ist. Es handelt sich hierbei um einen natürlichen Prozess, der sich später spontan wieder auflöst. Wird zu Beginn der Reha zu intensiv mobilisiert, kann eine erfolgreiche Heilung nicht eintreten.

Wurde in der Reha alles richtig gemacht (hierbei soll acaJoints als Messgerät helfen), dann beginnt nach ein paar Wochen nach dem Trauma die Phase des sog. Remodeling. Es werden fibrotische Narbenstrukturen zu elastischem Kapselgewebe umgebaut. Dieser Prozess ist langwierig und benötigt oft mehrere Monate. Auch das Remodeling kann in einem geeigneten Reha-Training durch adäquate Gewebsbelastung gefördert werden. Ziel ist die Verbesserung der Beweglichkeitskriterien Kraft, Ausdauer und Koordination. Beim Koordinationstraining kommt es darauf an, dass die Gelenke verschiedener Extremitäten in einem richtigen Kraft- und Zeitverhältnis zueinander stehen. Um vorhandene Koordinationsschwächen sichtbar zu machen, ist acaJoints mit mehreren Sensor-Anschlüssen ausgestattet. Dadurch werden in den Messaufzeichnungen der Sensor-Daten zueinander genau diese Schwächen sichtbar.

Mit seinen unzähligen Gelenken bietet der menschliche Körper eine Vielfalt an Luxationsmöglichkeiten.

acaJoints aus technischer Sicht

Technisch handelt es sich bei acaJoints auf der Hardware-Seite um eine Messeinrichtung auf Basis von Piezo-Sensoren. Diese reinen Sensoren selbst können je nach Zweck für die zu untersuchenden Gelenke in den unterschiedlichsten größeren oder kleineren Vorrichtungen eingebaut sein, wenn diese Vorrichtungen den äußeren Einfluss von auf sie einwirkenden Impulskräften aushalten können, die durch das Betätigen über Gelenkbewegungen der verschiedenen Extremitäten (Hände, Füße, Ellenbogen, Schulter usw.) ausgeübt werden. Je nachdem wie stark die den Piezo enthaltene Vorrichtung "erschüttert" wird, wird ein mehr oder weniger starker elektrischer Impuls an dem korrespondierenden GPIO des angeschlossenen Mikrokontrollers in dem acaJoints-Interface registriert. Die vom Mikrokontroller erfassten Sensor-Aktivitäten werden über Bluetooth an die acaJoints-App geschickt und dort in grafischer Darstellung auf dem Bildschirm ausgegeben. Nebenstehende Abbildung zeigt das Zusammenspiel der am acaJoints-Projekt beteiligten Komponenten.

Zusätzlich zu dem schon erwähnten Interface und der App auf dem Tablet befinden sich am Interface angeschlossen drei Controller-Fußpedale. Diese können, wenn das vom Benutzer gewünscht wird, das Aufzeichen der Sensordaten dadurch erleichtern, dass die Hände frei sind. Eine alternative Steuerung findet sich in der App.

Das vorliegende acaJoints-Projekt ist mit vier Piezo-Sensor-Anschlüssen ausgestattet. Die Piezos können, das wurde oben schon erwähnt, in beliebigen geeigneten Vorrichtungen verbaut sein, je nachdem, für welches Gelenk eine Messdaten-Aufzeichnung geplant ist. Es soll an dieser Stelle kein vollständiges Konzept vorgelegt werden, wie, womit und in welchen Positionen und Körperhaltungen am besten die verschiedenen Gelenke hinsichtlich ihres Impulskraft-Vermögens "vermessen" werden können. Aber es soll darauf hingewiesen werden, dass sich die beiden ebenfalls im Bild befindlichen, im Handel für relativ wenig Geld erhältlichen eDrum-Komponenten Snare und Kickdrum sehr gut für eine ganze Reihe von medizinischen Gelenk-Untersuchungen eignen. (Wir überlassen es dir und deinem Vorstellungsvermögen, wie man diese beiden Drum-Komponenten geeignet einsetzen kann.) Der Vorteil von eSnare- und eKickdrum ist, dass in ihnen schon ein Piezo-Sensor eingebaut ist und somit diese beiden Komponenten nur noch am acaJoints-Interface angeschlossen werden müssen.

acaJoints Setup (zum Vergrößern anklicken)

Themen für eine acaJoints-Abschlussarbeit (Bachelor oder Master)

(Hardware) Entwicklung eines neuen Interfaces

Zwar existiert schon ein funktionierendes acaJoints-Interface, aber wenn du Lust hast, kannst du ein neues bauen. Zum Beispiel mit einem besser geeigneten Mikrokontroller als den, den wir verwendet haben. Außerdem ist unser Interface durchaus noch ausbaufähig hinsichtlich weiterer Features.

 

(Software) Schreiben einer Android- oder iOS-App

Auch eine Android-App haben wir zwar schon, aber wenn du möchtest, kannst du diese nach deinen Vorstellungen verbessern.

 

 An dieser Stelle werden in den nächsten Tagen noch ein paar genaue Designvorschläge veröffentlicht (Andreas, 20.10.20)