Intelligente Fußorthese erfasst Belastungen und gibt Nutzer*innen Feedback
Menschen mit Fußverletzungen oder eingeschränkter Fußfunktion sind häufig auf orthopädische Hilfsmittel angewiesen. Gleichzeitig fehlen ihnen Möglichkeiten, sich einen Überblick darüber zu verschaffen, welchen Belastungen ihr Fuß beim Gehen ausgesetzt ist. Wie smarte Geräte hier unterstützen können, hat Dr. Stefan Resch von der Frankfurt University of Applied Sciences (Frankfurt UAS) im Rahmen seiner Promotion im Mixed Reality Labor untersucht. Im Mittelpunkt seiner Arbeit stand die Entwicklung einer sensorisierten Fußorthese – also eine Art Einlegesohle mit integrierter Sensorik –, die Gangparameter und Belastungsdaten während des Gehens erfassen und darauf basierend Feedback geben kann. Dabei kombinierte Resch die technische Entwicklung mit Methoden der Mensch-Computer-Interaktion, um besser zu verstehen, wie Menschen mit solchen Technologien interagieren und sie wahrnehmen. Resch hat in Kooperation mit der andalusischen Universidad de Cádiz promoviert und schloss seine Promotion kürzlich nach dreieinhalb Jahren mit der höchsten spanischen Auszeichnung „Sobresaliente Cum Laude“ ab.
Feedback durch Vibrationssignal
Reschs Forschung umfasst drei Schwerpunkte: „Im ersten Schritt habe ich eine smarte Einlegesohle für eine Fußorthese entwickelt, die über integrierte Sensorik und Feedbackfunktionen verfügt“, so der Wissenschaftler. Er vernetzte die Fußorthese mit einer Gehhilfe, in deren Griff ebenfalls Sensoren und Vibrationsmodule integriert sind. Wird eine Überlastung erkannt, erhält die Nutzerin oder der Nutzer ein Vibrationssignal – direkt über die Orthese oder über den Griff der Gehhilfe. Auch eine Smartphone-App zur mobilen Erfassung der Daten gehörte zu Reschs Arbeit: Sie ermöglicht Nutzenden unter anderem die Visualisierung des Fußsohlendrucks sowie ein Gehtagebuch zur Dokumentation von Gangdaten und zur Bewertung des individuellen Schmerzlevels.
User Experience im Fokus: Virtual Reality für immersive Trainingsanwendungen
Im zweiten Forschungsschwerpunkt stand die Erprobung mit Anwender*innen im Mittelpunkt. Dabei untersuchte Resch, wie Virtual- und Mixed-Reality-Technologien genutzt werden können, um die Interaktion mit den von ihm entwickelten smarten Geräten und deren Feedbackfunktionen in kontrollierten, immersiven Trainingsumgebungen zu evaluieren. In der ersten Studie ging Resch der Frage nach, wie ein Mixed-Reality-Avatar Nutzende beim Onboarding der Smartphone-App unterstützen kann. Die Ergebnisse zeigen: Ein solcher Avatar hat viel Potenzial, die Lernerfahrung bei der erstmaligen Nutzung der App zu verbessern. In einer zweiten Studie erprobte Resch die Fußorthese und prüfte, wie visuelles Feedback zur Fußbelastung in unterschiedlichen virtuellen Umgebungen wahrgenommen wird. Die zentrale Frage lautete: Auf welche Weise beeinflusst die virtuelle Umgebung die Wahrnehmung des Feedbacks, das Gangbild und die User Experience? „Virtual Reality bietet die Möglichkeit, solche Trainingssituationen interaktiv und kontrolliert zu gestalten und dabei die Interaktion mit smarten Geräten gezielt zu untersuchen“, erklärt Resch.
Wie muss eine Orthese aussehen, damit Menschen sie gerne tragen?
Im dritten Forschungsschwerpunkt ging es um den Einfluss des Designs von Fußorthesen auf deren Wahrnehmung und soziale Akzeptanz. „Die technisch beste Orthese bringt nichts, wenn Menschen sie nicht tragen wollen“, sagt Resch. Er untersuchte zudem, wie generative KI für das Design und die Entwicklung von Orthesen eingesetzt werden kann. „Der Weg zu einer marktfähigen Orthese ist natürlich noch weit“, so der Forscher, „aber meine Untersuchungen geben erste Einblicke darin, wie KI-generierte Designs wahrgenommen werden und wie sich generative KI systematisch in einen Designprozess bis hin zur Prototypentwicklung einbinden lässt.“
Reschs Promotion entstand im Rahmen des Projekts „Hybrid Thinking“ aus dem Mittelbauprogramm, gefördert durch das Hessische Ministerium für Wissenschaft und Forschung, Kunst und Kultur. Die Dissertation fasst die Ergebnisse mehrerer Artikel zusammen, die bereits in wissenschaftlichen Fachzeitschriften veröffentlicht, auf internationalen Fachkonferenzen präsentiert und durch Auszeichnungen gewürdigt wurden.
Vom PED-Bachelor über den Master bis zur Promotion
Stefan Resch ist schon seit 2015 an der Frankfurt UAS: Nach seinem Bachelor-Abschluss im Studiengang Produktentwicklung und Technisches Design absolvierte er den Master Allgemeiner Maschinenbau mit dem Schwerpunkt Produktentwicklung. Seine erfolgreiche Teilnahme am Hessen Ideen Wettbewerb – Reschs Team erreichte mit einem Konzept zur Säuberung verunreinigter Gleisbetten einen Podiumsplatz – gab ihm einen wichtigen Impuls für seine weitere akademische Laufbahn: Prof. Dr. Diana Völz, Professorin für Produktentwicklung, Konstruktion und CAD an der Frankfurt UAS, ermutigte ihn nach dem Wettbewerb, sich für eine Promotionsstelle zu bewerben. Sie betreute seine Arbeit dann auch von Seiten der Frankfurt UAS. Erstbetreuer an der Universidad de Cádiz war Prof. Dr. Daniel Sánchez Morillo, Leiter der Forschungsgruppe Bioingenieurwesen, Automatisierung und Robotik.
„Stefan Reschs Forschung bedeutet für das Feld der Mensch-Technik-Interaktion im Bereich Personalized Medical Engineering einen großen Schritt vorwärts“, betont Völz. „Die Universidad de Cádiz hat seine Leistung zu Recht mit der Bestnote gewürdigt – und unterstreicht damit, auf welch erstklassigem Niveau bei uns geforscht wird. Wir sind stolz darauf, dass wir Stefan im Mixed Reality Labor das geeignete akademische Umfeld und die nötige Unterstützung für seinen Weg bieten konnten.“
Weitere Informationen:
- Stefan Reschs Dissertation „User-Centered Design and Evaluation of Smart Devices for Foot Augmentation: Interactive Mixed Reality Training and Feedback Applications”
- Mixed Reality Labor an der Frankfurt UAS