Forscher entwickeln eine gehirngesteuerte Prothese für Menschen mit Beinamputationen

„Wir konnten die erste vollständige neuronale Kontrolle des künstlichen Gehens demonstrieren“, sagte Hyungyun Song, Erstautor der Studie und Postdoktorand am MIT.

Die meisten modernen Prothesen basieren auf vorprogrammierten Roboterbefehlen und nicht auf den Gehirnsignalen des Benutzers. Fortgeschrittene Robotertechnologien können die Umgebung erfassen und wiederholt eine vorab festgelegte Beinbewegung aktivieren, um einer Person die Navigation durch dieses Gelände zu erleichtern.

Viele dieser Roboter funktionieren jedoch am besten auf ebenem Boden und haben Schwierigkeiten, häufige Hindernisse wie Unebenheiten oder Pfützen zu überwinden. Der Prothesenträger hat oft wenig Einfluss auf die Anpassung der Prothese, wenn diese in Bewegung ist, insbesondere wenn er auf plötzliche Geländeveränderungen reagiert.

„Wenn ich gehe, habe ich das Gefühl, als würde mich jemand gehen, weil ein Algorithmus Befehle an einen Motor sendet, und ich nicht.“ Hare wurden vor einigen Jahren aufgrund von Erfrierungen beide Beine unterhalb des Knies amputiert und er verwendet fortschrittliche Roboterprothesen.

„Es gibt immer mehr Beweise [showing] „Wenn man das Gehirn mit einer mechatronischen Prothese verbindet, kommt es zu einer Verkörperung, bei der der Einzelne die Prothese als natürliche Erweiterung seines Körpers betrachtet“, sagte Hare.

Die Forscher arbeiteten mit 14 Studienteilnehmern, von denen sich die Hälfte einer Unterschenkelamputation über einen als Agonist Neuromuscular Interface (AMI) bekannten Ansatz unterzog, während die andere Hälfte traditionelle Amputationen durchlief.

„Das Coole daran ist, wie es chirurgische Innovationen neben technologischen Innovationen nutzt“, sagte Connor Walsh, Professor an der Harvard School of Engineering and Applied Science, der sich auf die Entwicklung tragbarer Assistenzroboter spezialisiert hat und nicht an der Studie beteiligt war.

Die AMI-Amputation wurde entwickelt, um die Einschränkungen herkömmlicher Beinamputationsoperationen zu überwinden, bei denen wichtige Muskelverbindungen an der Amputationsstelle durchtrennt werden.

Bewegungen werden durch die paarweise Bewegung der Muskeln ermöglicht. Ein Muskel – ein sogenannter Agonist – zieht sich zusammen, um ein Glied zu bewegen, während ein anderer Muskel – ein sogenannter Antagonist – sich als Reaktion darauf verlängert. Bei einem Bizepscurl beispielsweise ist der Bizeps der Antagonist, weil er sich zusammenzieht, um den Unterarm nach oben zu heben, während der Trizeps der Antagonist ist, weil er sich verlängert, um die Bewegung zu ermöglichen.

Wenn eine chirurgische Amputation dazu führt, dass Muskelpaare durchtrennt werden, ist die Fähigkeit des Patienten, Muskelkontraktionen nach der Operation zu spüren, und damit auch seine Fähigkeit, genau und gut zu spüren, wo sich die Prothese im Raum befindet, beeinträchtigt.

Im Gegensatz dazu verdrahtet das AMI-Verfahren die Muskeln in der restlichen Extremität neu, um das wertvolle Muskelfeedback zu reproduzieren, das eine Person von der intakten Extremität erhält.

Die Studie ist „Teil einer Bewegung für Prothesentechnologien der nächsten Generation, die sich auf Empfindungen und nicht nur auf Bewegungen konzentrieren“, sagte Eric Rombukas, Assistenzprofessor für Maschinenbau an der University of Washington, der nicht an der Studie beteiligt war.

Das AMI-Verfahren zur Unterschenkelamputation ist nach ihm benannt Peter Ewing Nach Jim Ewing der erste Mensch, der sich 2016 dem Eingriff unterzog.

Bei Patienten, die sich einer Ewing-Amputation unterzogen, kam es zu weniger Muskelschwund in der verbleibenden Gliedmaße und zu weniger Phantomschmerzen, dem Gefühl von Unbehagen in einer Gliedmaße, die nicht mehr vorhanden ist.

Die Forscher statteten alle Teilnehmer mit neuen Prothesen aus, die aus einem künstlichen Knöchel, einem Gerät, das die elektrische Aktivität anhand der Muskelbewegung misst, und auf der Hautoberfläche platzierten Elektroden bestehen.

Das Gehirn sendet elektrische Impulse an die Muskeln und veranlasst diese, sich zusammenzuziehen. Kontraktionen erzeugen eigene elektrische Signale, die von Elektroden erfasst und an kleine Computer auf der Prothese gesendet werden. Computer wandeln diese elektrischen Signale dann in Kraft und Bewegung für die Prothese um.

Amy Pietravita, eine der Studienteilnehmerinnen, die sich nach schweren Verbrennungen einer Ewing-Amputation unterzogen hatte, sagte, das bionische Glied habe ihr die Fähigkeit gegeben, ihre Füße wieder zu führen und Tanzbewegungen auszuführen.

„Die Möglichkeit, diese Art von Flexibilität zu haben, machte es realistischer“, sagte Pietrafitta. „Ich hatte das Gefühl, dass alles da war.“

Dank verbesserter Muskelempfindungen konnten Teilnehmer, die sich einer Ewing-Operation unterzogen hatten, ihre Prothesen verwenden, um schneller und natürlicher zu gehen als diejenigen, die sich einer herkömmlichen Amputation unterzogen hatten.

Wenn eine Person vom normalen Gehmuster abweichen muss, muss sie sich normalerweise mehr anstrengen, um sich fortzubewegen.

„Dieser Energieaufwand … führt dazu, dass unser Herz härter arbeitet und unsere Lungen härter arbeiten … und kann zu einer fortschreitenden Zerstörung der Hüftgelenke oder der unteren Wirbelsäule führen.

Patienten, die sich einer Ewing-Amputation und der neuen Prothese unterzogen hatten, konnten auch Steigungen und Treppen problemlos überwinden. Sie waren in der Lage, ihre Füße stufenlos anzupassen, um sich Treppen hinaufzubewegen und Stöße beim Abstieg abzufedern.

Die Forscher hoffen, dass die neue Prothese innerhalb der nächsten fünf Jahre kommerziell erhältlich sein wird.

„Wir beginnen, einen flüchtigen Blick auf diese glorreiche Zukunft zu werfen, in der ein Mensch einen erheblichen Teil seines Körpers verlieren kann und es Technologien gibt, um diesen Teil seines Körpers wieder vollständig funktionsfähig aufzubauen“, sagte Hare.