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 kein Mitspracherecht bei der Anpassung der Prothese, wenn diese bewegt wird, insbesondere bei plötzlichen Geländeveränderungen.

„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“, fügte Hare hinzu.

Die Autoren arbeiteten mit 14 Studienteilnehmern, von denen die Hälfte über einen als Antagonist-Myoneural-Interface (AMI) bekannten Ansatz Amputationen unterhalb des Knies erhielt, 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 Arbeit der Muskeln ermöglicht. Ein Muskel – bekannt als erregender Muskel – zieht sich zusammen, um ein Glied zu bewegen, und ein anderer Muskel – bekannt als Antagonistmuskel – verlängert sich als Reaktion darauf. Beispielsweise ist bei einer Bizeps-Curl-Übung der Bizeps der auslösende Muskel, da er sich zusammenzieht, um den Unterarm anzuheben, während der Trizeps der Antagonist ist, da er sich verlängert, um die Bewegung zu ermöglichen.

Wenn eine chirurgische Amputation dazu führt, dass Muskelpaare durchtrennt werden, wird die Fähigkeit des Patienten, Muskelkontraktionen nach der Operation zu spüren, beeinträchtigt, was sich negativ auf seine Fähigkeit auswirkt, genau und gut zu erkennen, wo sich die Prothese im Raum befindet.

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, dem ersten Menschen, der sich dem Eingriff im Jahr 2016 unterzog.

Bei Patienten, die sich einer Ewing-Amputation unterzogen hatten, kam es zu weniger Muskelschwund in der verbleibenden Gliedmaße und zu weniger Phantomschmerzen – dem Gefühl von Unbehagen in der 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 ihre eigenen elektrischen Signale, die von Elektroden erfasst und an kleine Computer gesendet werden, die an der Prothese angebracht sind. Computer wandeln diese elektrischen Signale dann in Kraft und Bewegung für die Prothese um.

Die Prothese gab ihr die Fähigkeit, beide Füße zu zeigen und wieder Tanzbewegungen auszuführen, sagte Amy Pietravita, eine Studienteilnehmerin, die sich nach schweren Verbrennungen einer Ewing-Amputation unterziehen musste.

„Die Möglichkeit, diese Art von Krümmung zu haben, machte es realer und es fühlte sich an, als ob alles da wäre“, sagte Pietrafitta.

Dank verbesserter Muskelempfindungen konnten Teilnehmer, die sich einer Ewing-Amputationsoperation unterzogen hatten, mit ihren Prothesen schneller und natürlicher gehen als diejenigen, die sich einer herkömmlichen Amputationsoperation 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.