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Handprothesen: Noch mal mit Gefühl

Auch wenn sich Prothesen seit ihren Anfängen während des ersten Weltkrieges deutlich weiter entwickelt haben, können sie ihre natürlichen Vorbilder noch nicht vollständig ersetzen. Vor allem bei Handprothesen gibt es noch Funktionen nachzubessern.

WEKA Fachmedien Bildquelle: © Ottobock

Bei Entwicklung von Handprothesen geht es nicht nur um die Motorik, sondern auch um das Empfinden der Träger.

Deutschland 1916: Inmitten des Ersten Weltkrieges entwickelt der Chirurg Ferdinand Sauerbruch dem nach ihm benannten Sauerbruch-Arm, ein Meilenstein im Bereich der Armprothetik (Bild 1). Angeregt durch Aurel Stodola (1859 – 1942), Professor für Maschinenbau in Zürich, wollte er eine Prothese entwickeln, die von der Muskulatur des Amputationsstumpfes angesteuert werden konnte: die »willkürlich bewegbare künstliche Hand«. Diese Aufgabe hatte sowohl eine chirurgische als auch eine feinmechanische Seite. Die mechanische Koppelung von Arm und Prothese erreichte er durch das Anlegen von Kanälen durch die Beuge- und Streckmuskulatur. Diese mit Haut ausgekleideten Kanäle nahmen später stabile Elfenbeinstifte auf, in die der Amputierte die Mechanik der Prothese einhängen konnte. So wurde die Kontraktion der Beuger oder der Strecker auf eine Zug- bzw. Druckbewegung des Metallstabes übertragen, der in die Kunsthand hineinlief.

Fast zur selben Zeit wurde in Berlin-Kreuzberg eines der erfolgreichsten deutschen »Start-ups« gegründet – Ottobock. Bock hatte erkannt, dass die vielen amputierten Weltkriegsopfer mit handwerklichen Mitteln nicht ausreichend zu versorgen waren. Seine Orthopädische Industrie GmbH begann 1919, Bauteile für Prothesen industriell zu produzieren. Bock leitete so auf seinem Gebiet ein neues Zeitalter ein. Als Ottobock im Gründungsjahr aus dem politisch unruhigen Berlin nach Königssee in den Thüringer Wald umzog, lagen Hightech-Produkte in weiter Ferne. Damals ging es eher um die Herstellung von Holzbeinen. 1947 zog die Firma nach der Enteignung in der damaligen Sowjetzone erneut zwangsweise um – Max Näder, der Schwiegersohn des Gründers, fing in Duderstadt neu an.

Die rasante technologische Entwicklung der vergangenen Jahrzehnte brachte auch der Prothesenherstellung einen Schub: Die Technik der Produkte habe inzwischen ein derart hohes Niveau erreicht, dass manche Prothesen praktisch durch Gedanken gesteuert werden könnten, erläutert Norbert Stein vom Innungsverband für Orthopädietechnik. Unter anderem versucht das im März 2015 gestartet MoreGrasp-Projekt – ein europäisches Konsortium aus drei Universitäts- und zwei Firmenpartnern unter Leitung der TU Graz – die aktuellen Probleme von Greif-Neuroprothesen in den Griff zu bekommen. Für Menschen, die in Folge einer Rückenmarksverletzung in der Funktion ihrer Hände stark bis vollständig eingeschränkt sind, soll eine sensorische Greif-Neuroprothese zur Unterstützung von Aktivitäten des täglichen Lebens entwickelt werden, die die Motorik über eine Gehirn-Computer-Schnittstelle intuitiv steuert und zu einer größeren Natürlichkeit der Bewegungsabläufe führt.

WEKA Fachmedien Bildquelle: © Chairté

Bild 1. Eine von Sauerbruch entwickelte Armprothese.

Die tatsächlich gedachte Bewegung als Signal

Gernot Müller-Putz erklärt das Prinzip von Brain Computer Interfaces, auf Deutsch Gehirn-Computer-Schnittstellen: »Bei einer Querschnittlähmung sind alle Schaltzentren im Gehirn und die Muskeln im betreffenden Körperteil noch vorhanden, aber die Leitung zwischen Gehirn und Extremität ist unterbrochen. Das umgehen wir, indem wir das Gehirn mit einem Computer kommunizieren lassen, der wiederum den Befehl an die Muskeln weiterleitet«. Angesteuert und zur Bewegung animiert werden die Muskeln mit Elektroden, die außen am Arm angebracht sind und zum Beispiel das Schließen und Öffnen der Finger auslösen können.

Bisher arbeitete man dabei mit beliebigen gedanklichen Konzepten. Wichtig war nur, die ausreichende Unterscheidbarkeit der erzeugten Hirnströme zur Steuerung der Neuroprothese. Beispielsweise dachte die Probandin oder der Proband an ein Fußheben-und-Senken, und das per EEG gemessene Signal öffnete die rechte Hand, dachte sie oder er beispielsweise an eine linke Handbewegung, schloss sich die rechte Hand wieder. Der gedankliche Umweg über beliebige, aber deutlich unterscheidbare Bewegungsmuster ist nun nicht mehr notwendig, erklärt Müller-Putz: »Wir nutzen jetzt das sogenannte ‚attempted movement‘ – also den Versuch, eine bestimmte Bewegung auszuführen.« Die Probandin oder der Proband versucht dabei die Bewegung, zum Beispiel den Griff nach einem Glas Wasser, auszuführen. Wegen der Querschnittlähmung wird das dabei entstehende Hirnsignal zwar nicht weitergeleitet, kann aber mittels EEG gemessen und vom Computersystem verarbeitet werden.

Müller-Putz und sein Team arbeiten jetzt mit Signalen, die sich nur ganz geringfügig voneinander unterscheiden. Dennoch gelinge es, die Neuroprothese damit erfolgreich anzusteuern. Für die Nutzerinnen und Nutzer ergeben sich dadurch völlig neue Möglichkeiten, die deutliche Erleichterungen etwa beim Training der Bewegungsabläufe mit sich bringen werden. Im Projekt wurden verschiedene Griffvarianten untersucht: der Palmargriff (Zylindergriff – etwa nach einem Glas greifen), der Lateralgriff (Schlüsselgriff – etwa einen Löffel in die Hand nehmen), das Aufmachen der Hand und das Drehen nach innen und außen.

Auf einer eigenen Online-Plattform zur Vernetzung Interessierter und Betroffener können sich Endnutzerinnen und -nutzer für die Teilnahme an einer groß angelegten Machbarkeitsstudie registrieren, die die im Projekt entwickelte Technik auf ihre Alltagstauglichkeit überprüfen soll. Teilnehmerinnen und Teilnehmer, die für die Studie infrage kommen, werden nach einem aufwendigen Verfahren getestet. Danach wird jeder Probandin und jedem Probanden ein maßgeschneidertes BCI-Training zur Verfügung gestellt, das in mehrere Stunden dauernden Sessions jede Woche eigenverantwortlich absolviert werden muss. So werden Hirnsignale gesammelt und das System lernt bei jedem Versuch dazu.

WEKA Fachmedien Bildquelle: © Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau

Bild 2. Forscher entwickeln eine Codierung, die Patienten ein natürlicheres Fühlen und Bewegen ermöglicht.

Bisher nur einfache Bewegungen möglich

Obwohl sich Forschung und Entwicklung schon seit Jahrzehnten mit künstlichen Gliedmaßen befassen, müssen sich Amputationspatienten noch immer mit Prothesen begnügen, die auf einer 40 Jahre alten Technik beruhen. Mit Elektroden, die auf der Haut platziert werden, spüren konventionelle Prothesen Kontrollsignale des darunterliegenden Muskelstumpfs auf. Diese Signale sind jedoch sehr beschränkt und nicht verlässlich. Deshalb können mit einer Prothese bisher auch nur sehr einfache Bewegungen ausgeführt werden, etwa die Hand zu öffnen und zu schließen. Etwas zu ertasten oder auch Empfindungen zu spüren, ist nicht möglich.

Das CSEM und zehn Partner haben in dem von der EU unterstützten Projekt »DeTOP« eine neuartige Handprothese entwickelt. Die Elektroden werden in die Nerven des Muskelstumpfs implantiert. So liefern sie umfassendere und verlässlichere Informationen, wodurch anspruchsvollere Bewegungen und auch das Tasten möglich werden. Das CSEM hat für dieses Projekt mehrere Low-Power-Technologien entwickelt. Dazu gehören eine integrierte Schaltung sowohl für die Kontrolle der Prothese als auch für das Sammeln der sensorischen Feedbacks und ein Echtzeit-Drahtlos-Kommunikationsprotokoll.

Bei dieser Prothese werden zum ersten Mal Roboter-, Sensor- und Schnittstellen-Technik miteinander eingesetzt. Das Herzstück sei die in den Knochen integrierte Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine. Diese Knochenverankerungstechnik ist eine langfristige, stabile Lösung, um Prothesen der Gliedmaßen auf bequeme, natürlich Art und Weise direkt am Skelett zu befestigen. Sie ermöglicht zudem die beidseitige elektronische Kommunikation zwischen der Prothese und den Elektroden, was für eine noch bessere Funktionalität und mehr Gefühl sorgt.

Stromimpulse für das Gehirn

Neben der Funktion und Steuerung geht es auch um das Gefühl der Träger und Trägerinnen zu ihren Prothesen. Für die meisten fühlen sich diese wie ein Fremdkörper an. Das Ziel: Prothesen sollen sich nicht nur natürlich bewegen, sondern auch so anfühlen. Diesem Ziel ist ein internationales Forschungsteam näher gekommen. Es hat eine spezielle Codierung für Stromimpulse entwickelt, mit denen die Nerven im Armstumpf stimuliert werden (Bild 2). Das neue Verfahren ermöglicht es Patientinnen und Patienten, mit ihrer Armprothese genauer zu greifen und diese natürlicher zu bewegen.

Die Wissenschaftler entwickelten einen »Stimulations-Code«, mit dem sich Stromimpulse für das Gehirn so anfühlen, als ob die natürlichen Sensoren der Haut sie erzeugen. Dadurch erkennt der Patient nicht nur die Griffkraft und die Verformbarkeit eines Objekts, sondern greift und bewegt es schneller und akkurater. Ein interdisziplinärer Ansatz mit Verfahren aus Neurotechnik, klinischen Neurologie, Robotik und Computersimulation macht dies möglich.

Für den Erfolg des Verfahrens hat das Team um den Freiburger Mikrosystemtechniker Prof. Dr. Thomas Stieglitz implantierbare Elektroden entwickelt, die dünner als ein menschliches Haar sind. Sie lagen stabil in den Nerven und haben sich nicht bewegt. Daher konnten über Monate hinweg Stromimpulse in einer Codierung an die Nerven übermittelt werden, sodass beide Patienten die Prothese nach und nach wie ihren eigenen Arm angenommen und nicht mehr als Fremdkörper gesehen haben. Neben Verbesserungen bei Gefühl, Genauigkeit und Geschicklichkeit hilft die biomimetische Stimulationsstrategie zudem, Phantomschmerzen zu reduzieren. Das Verfahren lässt sich auf andere Prothesen übertragen.

Quellen

(1) M.Rusinger: Sauerbruch-Prothese (März 2014), http://www.dmm-ingolstadt.de/aktuell/objektgeschichten/maerz-2014.html (Stand: 15.03.2019).

(2) Medizin+elektronik: Vom Holzbein zur Hightech-Prothse (19.02.2019), https://www.medizin-und-elektronik.de/elektronikfertigung/artikel/162658/ (Stand: 15.03.2019).

Zuerst gesehen

Dieser Beitrag stammt aus der Medizin+elektronik Nr. 3 vom 02.05.2019.

Hier geht’s zur vollständigen Ausgabe.