Druckmessstrumpf mit integrierten Elastomersensoren – Messedemonstrator ohne zweite, äußere Textillage.
© Fraunhofer ISC
Diabetiker haben oft kein Empfinden in den Füßen. Deshalb registrieren sie Druck- und Temperatursignale meist nicht. Als Folge können unbemerkt Wunden entstehen, die sich schließlich zu Geschwüren auswachsen. Daher müssen sich viele Diabetes-Patienten Zehen und Füße amputieren lassen. Ein von Fraunhofer-Forschern neu entwickelter Messstrumpf soll künftig die fehlende Sensorik übernehmen und die Patienten so vor Wunden schützen. Das integrierte Sensorsystem warnt vor zu hohen Druckbelastungen.
Patienten mit Diabetes leiden an den Füßen oftmals an Nerven- und Durchblutungsstörungen, wodurch ihr Schmerzempfinden herabgesetzt ist. Sie spüren im wahrsten Sinne des Wortes nicht, wenn sie der Schuh drückt. Bei gesunden Menschen sorgen die Nervenbahnen bei längerem Stehen dafür, dass sie das Gewicht automatisch von einem Fuß auf den anderen verlagern. Diabetiker merken hingegen nicht, wenn ihre Zehen, Fersen oder Ballen zu stark belastet werden. Wird jedoch der Fuß nicht entlastet, so können unbemerkt Druckgeschwüre entstehen. Bereits kleine unebene Stellen oder der Druck der Schuhe auf die Füße kann zu offenen Wunden oder Schädigungen am Gewebe führen.
Sensoren im Strumpf messen den Druck dreidimensional
Damit sich solche meist schlecht heilenden Wunden gar nicht erst bilden, haben Forscher des Fraunhofer-Instituts für Silicatforschung ISC in Würzburg mit Unterstützung von Industriepartnern und Kollegen des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Schaltungen IIS in Erlangen einen Spezial-Strumpf mit integrierten Sensoren entwickelt. Insgesamt 40 sehr dünne, dielektrische Elastomersensoren messen die Druckbelastung und -verteilung bei Diabetes-Patienten und übernehmen so die Funktion der Nerven. »Bisherige Systeme sind als Einlegesohlen auf dem Markt und messen nur die Druckverteilung an der Unterseite des Fußes. Unsere Sensoren sind an der Strumpfsohle, der Ferse, dem Fußspann und dem Knöchel angebracht und zeichnen die Signale daher dreidimensional auf. Das gibt es bislang noch nicht«, erläutert Bernhard Brunner, Wissenschaftler am ISC. Da sich das Messsystem kostengünstig in Serie herstellen lässt, soll es nicht mehr als 250 Euro kosten.
Elektronik überträgt Daten aufs Smartphone
Die Sensoren bestehen aus einer stark dehnbaren, weichen Elastomerfolie aus Silikon, die sich gut in Textilien integrieren lässt. Die Folie ist beidseitig mit hochflexiblen Elektroden aus Graphit oder Ruß beschichtet. Verformt sich die Folie durch Druck oder Dehnung, verringert sich ihre Dicke. Gleichzeitig vergrößert sich dabei die Fläche. Das Resultat: Die elektrische Kapazität erhöht sich mit dem Druck. Diesen Effekt können die ISC-Forscher messen. Steht der Patient beispielsweise längere Zeit auf einer Stelle, erhöht sich der Druck. Dies erkennen die Sensoren und schicken das Messsignal über einen leitfähigen Faden an eine drahtlose Elektronik, die aus einem ASIC-Chip – kurz für ApplicationSpecific Integrated Circuit – und einem Controller besteht. Entwickelt wurde sie von Forschern des IIS. »Sie ist so gestaltet, dass bis zu 40 kapazitive Sensoren in einem sehr breiten Wertebereich mit hoher Auflösung erfasst werden können«, erläutert Johann Hauer, der zuständige Projektleiter am IIS. Der ASIC nimmt die Messdaten auf und der Controller sendet diese per Funk an ein Smartphone oder Tablet, das dem Diabetes-Patienten anzeigt, ob er seine Fußhaltung oder Belastung ändern soll.
»Beim derzeitigen Prototyp ist die Elektronik noch am Strumpfende befestigt. Geplant ist, sie in einem kleinen, knopfgroßen Gehäuse unterzubringen, das sich etwa durch einen Klettverschluss abnehmen lässt. Dies ist unumgänglich, solange für die Elektronik keine zuverlässige Reinigungsmethode entwickelt wurde«, sagt Brunner. Die Sensorik hingegen muss beständig gegen Wasser und Waschmittel sein. »Erste Tests zur Waschbarkeit sind geplant. Das Säubern in Desinfektionsmitteln ist kein Problem«, so der Forscher.
Die Sensorik ist von zwei Lagen Stoff umgeben, was den An- und Ausziehkomfort des Strumpfs erhöht. Sie wird durch Nähen oder Kleben in das Textil eingebracht. Die Socke selbst besteht aus einem Mischgewebe aus Baumwolle und Kunstfaser. Das Material ist atmungsaktiv, feuchteregulierend und zeichnet sich durch einen hohen Tragekomfort aus. »Dies ist wichtig, schließlich sollen Betroffene den Strumpf täglich tragen können«, beschreibt Brunner die Anforderungen an das Textil. Die Anwendungsmöglichkeiten sind vielfältig: Beispielsweise eignet es sich auch für den Einsatz im Fitnessbereich. Jogger etwa könnten mit dem Strumpf mit integrierter Sensorik Laufstil und Fußhaltung kontrollieren. Die Forscher haben den Druckmessstrumpf bereits zum Patent angemeldet. Den Prototyp des Systems präsentieren sie vom 19. bis 21. Mai auf der Messe SENSOR+TEST in Nürnberg (Halle 12, Stand 537).
Frauenhofer Gesellschaft, 5.5.2015