Handprothese mit Gefühl für sanftes Zupacken
Eine neuartige Handprothese übermittelt dem Träger echte Empfindungen von Berührung. Über 20 Sensoren, die direkt mit den Nervenbahnen des Oberarms verbunden sind, wird die Sensibilität in den Fingern wiederhergestellt.
Die neue Nervenschnittstelle gibt dem Träger der Prothese ein Tastgefühl an 20 Punkten seiner künstlichen Hand.
Foto: Russell Lee/Case Western Reserve University
Bemerkenswerte Fortschritte hat es in den vergangenen Jahren im Bereich der prothetischen Gliedmaßen gegeben. Erst kürzlich konnten amerikanische Wissenschaftler mit Affen demonstrieren, dass es möglich ist, künstliche Arme per Gedankenkraft gezielt zu steuern. Dafür musste den Tieren allerdings ein Hirnimplantat eingesetzt werden. Aber noch immer können die künstlichen Gliedmaßen, trotz allen Fortschrittes, keine sensorische Information an den Träger der Prothese zurücksenden. Bei einer Handprothese etwa, mit der ein Gegenstand gegriffen werden soll, ist es äußerst schwierig, die korrekte Stärke des Griffs einzuschätzen.
Nervenstränge im Arm übertragen die Berührungsempfindung der Finger
Wissenschaftler des Cleveland Veterans Affairs Medical Center und der ebenfalls in Cleveland, Ohio angesiedelten Case Western Reserve University scheint nun ein Durchbruch im „sensorischen Feedback“ gelungen zu sein. Sie haben eine Art Nervenschnittstelle entwickelt, die dem Träger einer Handprothese von mehreren Punkten seiner künstlichen Hand ein Gefühl der Berührung vermittelt. Dafür muss kein Hirnimplantat eingesetzt werden. Die Berührungsempfindung wird über Nervenstränge im Arm ausgelöst. Es sind dieselben Nervenenden, die auch ohne eine Verletzung bei einem Handmanöver normalerweise zum Einsatz kommen.
In einem Video, das die Wissenschaftler im Internet zeigen, demonstriert Igor Spetic eindrucksvoll, welchen Unterschied die neue Schnittstelle macht. Der 48-jährige Mann aus Ohio hatte vor drei Jahren seine rechte Hand in einem Unfall verloren. Mit seiner Prothese sollte er nun eine Kirsche vom Tisch aufnehmen und so festhalten, dass er mit der gesunden Hand den Stiel abziehen konnte. Spetic kontrolliert seine Handprothese mit einer Standardtechnologie, einer myoelektrischen Schnittstelle. Hier wird über biochemische Prozesse in den Muskelzellen eine elektrische Spannung erzeugt, mit der die Prothese gesteuert wird. Nun hatten die Wissenschaftler außerdem drei erbsengroße Nervenschnittstellen in Spetics Unterarm eingesetzt und mit Sensoren auf seiner Prothese verbunden, die die Kraft der ausgeführten Bewegung erfassten. War die Schnittstelle ausgeschaltet, ließ Spetic die Kirsche entweder fallen oder zerquetschte sie. Waren die Sensoren aktiviert, fühlte er die Berührung und schätzte die Kraft seiner künstlichen Finger genau richtig ein.
Empfindung in mehreren Fingern und an der Rückseite der Hand
Das Herz der neuen Technologie ist eine sieben Millimeter lange manschettenartige Elektrode. Drei davon werden in den Arm eingesetzt und fassen jeweils ein Nervenbündel ein. Sie drücken die normalerweise runden Nervenstränge ganz leicht zusammen, wodurch eine größere Oberfläche erreicht wird. Jetzt schicken die insgesamt 20 Elektroden in den Manschetten elektrische Signale an die faserartigen Fortsätze der Nervenzellen, die sogenannten Axone. Über äußere Drahtverbindungen werden die Signale zwischen den Schnittstellen im Unterarm und den Sensoren auf der Prothese hin und her geschickt. Dadurch entsteht das sensorische Feedback.
Sieben Millimeter langeNervenmanschette.
Quelle: Russell Lee/CWRU
Igor Spetic kann mit der neuen Schnittstelle Empfindungen an mehreren Fingern, sowie an der Seite und auf der Rückseite der Hand spüren. Die Art der Empfindung kann von außen gesteuert werden, je nachdem wie die elektrischen Signale in der Manschette im Unterarm eingestellt werden. Manchmal fühle es sich an, wie wenn er einen Wattebausch berühre, oder Sand oder Haare, sagte Spetic. Die Berührungsempfindung ist für den Träger der Prothese offenbar natürlicher als bei früheren Experimenten, bei denen nur ein brummendes Gefühl zu spüren war.
Besonders hoffnungsvoll stimmt die Forscher außerdem, dass die Implantate im Unterarm auch nach 18 Monaten noch präzise funktionieren. In früheren ähnlichen Experimenten hatte das Nervengewebe schon wesentlich schneller nicht mehr auf die elektrische Schnittstelle reagiert. Die Wissenschaftler aus Ohio hoffen, dass ihre Entwicklung in den nächsten fünf bis zehn Jahren marktreif ist.
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