KNEESENSE: ein kostengünstiges tragbares System mit hydraulischer Filamentsensorik zur Echtzeit-Überwachung der Knie-Rehabilitation

Warum es wichtig ist, das Knie zu Hause zu beobachten

Knieverletzungen gehören zu den häufigsten Problemen bei Sportlern, Arbeitnehmern und älteren Menschen. Eine vollständige Genesung erfordert meist wochenlange angeleitete Übungen, doch in vielen Regionen gibt es zu wenige Kliniken, lange Anfahrtswege oder hohe Kosten. Dieses Papier stellt ein einfaches, kostengünstiges tragbares System vor, das ein gewöhnliches Knieschützer in ein intelligentes Überwachungsgerät verwandelt und es Menschen ermöglicht, zuhause nachzuverfolgen, wie gut sie ihr Knie bei Rehabilitationsübungen beugen und strecken — mit dem Potenzial, die Erholung zu verbessern und die Abhängigkeit von Klinikbesuchen zu verringern.

Eine einfache Idee für ein großes globales Bedürfnis

Milliarden von Menschen weltweit könnten von Rehabilitation profitieren, doch in vielen Ländern mit niedrigem und mittlerem Einkommen erhalten mehr als die Hälfte nie entsprechende Versorgung. Knieprobleme, von Sportverletzungen über belastungsbedingte Schäden bei der Arbeit bis zu Verkehrsunfällen, sind besonders weit verbreitet. Traditionelle Rehabilitation erfordert häufige persönliche Sitzungen, und selbst wenn Patienten mit Übungen nach Hause geschickt werden, ist es oft schwierig zu wissen, ob sie die Bewegungen korrekt ausführen oder Fortschritte machen. Bestehende Heimüberwachungsgeräte sind entweder zu teuer, unbequem oder verwenden starre Elektronik, die sich nicht natürlich mit dem Körper bewegt. Die Autoren wollten etwas anderes entwickeln: ein weiches, erschwingliches und tragbares Gerät, das Kniebewegungen in alltäglichen Situationen zuverlässig erfassen kann.

Aus Wasser und einer Feder einen intelligenten Sensor machen

Im Kern des Systems steht ein winziges Bauteil namens wearable hydraulic filament sensor (WHFS), aufgebaut aus einem weichen Silikonschlauch, der mit Flüssigkeit gefüllt und von einer Metallfeder ummantelt ist. Wenn sich das Knie beugt, dehnt der Knieschützer den Schlauch, wodurch sich der Druck der Flüssigkeit im Inneren ändert. Dieser Druck wird von einem kleinen Sensor in einem separaten Gehäuse erfasst, das an der Taille des Nutzers befestigt wird. Da die äußere Feder einschränkt, wie sich der Schlauch ausdehnen kann, wandelt sich ein Großteil der Flüssigkeitsbewegung in eine saubere Druckänderung um, statt in zufällige Verformung. Die Forschenden untersuchten sorgfältig, wie Schlauch und Feder interagieren — wie stark sie sich dehnen, wie der Druck ansteigt und abfällt und wie sich dieses Verhalten über wiederholte Zyklen verändert — um die besten Abmessungen und Materialien zu finden.

Feinabstimmung für Genauigkeit, Komfort und Haltbarkeit

Das Team testete vier verschiedene Varianten der Schlauch-Feder-Kombination und variierte Faktoren wie Federrate und Schlauchstärke. Sie maßen, wie sehr der Sensor frühere Bewegungen „speichert“ (Hysterese), wie empfindlich er auf kleine Dehnungen reagiert und wie stabil die Messwerte nach 100 Beugezyklen bleiben. Eine Konfiguration stach hervor, weil sie geringe Fehler, moderate Empfindlichkeit und nur sehr geringe Leistungseinbußen über die Zeit kombinierte. Sie konnte Bewegungen von nur 0,2 Millimetern erkennen, was fein genug ist, um klinisch relevante Veränderungen des Kniewinkels aufzulösen. Die Forschenden modellierten dann, wie Druck mit Dehnung und damit mit dem Kniewinkel zusammenhängt, und nutzten eine mathematische Kurve, um rohe Druckwerte in direkte Biegewinkel umzuwandeln.

Vom Rohdruck zu einer nutzbaren App

Um den Sensor in ein praktisches Reha-Werkzeug zu verwandeln, bauten die Autoren ein komplettes System darum herum. Der Knieschützer mit dem WHFS verbindet sich über einen dünnen Schlauch mit einem Gehäuse, das einen Drucksensor, Batterie, Bluetooth-Funk, und ein kleines Ventil enthält, das das Wasser im Schlauch automatisch verwaltet. Eine Smartphone-App empfängt die Druckdaten, wandelt sie in Echtzeit in Kniewinkel um und zeigt eine einfache, laufende Grafik der Bewegung des Nutzers. Da die Beinformen individuell verschieden sind, führt die App den Nutzer durch eine kurze Kalibrierungsroutine mit vier festen Kniepositionen. Sie verwendet diese Referenzpunkte, um die Druck-zu-Winkel-Beziehung für die jeweilige Person anzupassen. In Labortests mit einem 3D-gedruckten Beinmodell schätzte das System Kniewinkel mit nur etwa 4 Grad Fehler über einen weiten Bewegungsbereich — ein Ergebnis, das mit vielen deutlich teureren Geräten vergleichbar ist.

Was das für die Alltags-Rehabilitation bedeuten könnte

Für eine verletzte Person oder eine beschäftigte Therapeutin ist das wichtigste Ergebnis, ob ein solches Gerät Rehabilitation zugänglicher und effektiver machen kann. Das vorgestellte System kostet nur wenige Dutzend Dollar, ist weich und leicht und kann Kniewinkelinformationen drahtlos in Echtzeit an ein Telefon streamen. Obwohl es bisher an einer gesunden Versuchsperson und an Labor-Modellen demonstriert wurde und nicht an großen Patientengruppen, zeigen die Ergebnisse, dass ein einfacher wassergefüllter Filament und eine Feder komplexere Elektronik bei der Erfassung von Kniebewegungen konkurrenzieren können. Mit weiterer Verfeinerung und klinischer Prüfung könnte dieser Ansatz dazu beitragen, datengestützte, angeleitete Knierehabilitation in die Wohnungen von Menschen zu bringen — besonders in Regionen, in denen der Zugang zu spezialisierter Versorgung begrenzt ist.

Zitation: Phan, N.A., Ngo, S.T., Phan, M.T. et al. KNEESENSE: a low-cost wearable system with hydraulic filament sensing for real-time knee rehabilitation monitoring. Sci Rep 16, 12572 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42424-z

Schlüsselwörter: Knierehabilitation, tragbare Sensoren, heimtherapie, weiche Robotik, hydraulische Sensorik