Bionische Rekonstruktion: Muskelsignale steuern robotische Prothese

Sie greifen wieder: Drei Männer, deren eine Hand nach einem Unfall gelähmt war, können wieder schneiden oder Hemden zuknöpfen. Das ermöglicht eine robotische Prothese mit einer neuen Schnittstelle - für die allerdings die gelähmte Hand amputiert wurde.

Artikel veröffentlicht am 25. Februar 2015, 11:59 Uhr, Werner Pluta

Bionische Prothese: Steuerung über transplantierten Beinmuskel (Bild: Medizinischen Universität Wien/Screenshot: Golem.de)

Muskel statt Elektroden: Österreichische Forscher haben eine neue Schnittstelle entwickelt, um eine robotische Prothese anzusteuern. Drei Männer, deren einer Arm infolge eines Unfalls gelähmt war, haben eine robotische Prothese bekommen, die sie über die neue Schnittstelle steuern. Bionische Rekonstruktion nennen die Mediziner diese Methode, die sie in der Fachzeitschrift The Lancet beschreiben.

Die drei Patienten hatten sich bei Verkehrs- und Kletterunfällen am Plexus brachialis verletzt. Das ist das Nervengeflecht, das vom Rückenmark in den Arm und in die Hand führt. Einige Nervenstränge funktionierten zwar noch, aber nicht genug, um die Hand zu bewegen.

Bionische Hand ersetzt gelähmte Hand

Nach vergeblichen Versuchen, die Nerven zu reparieren, wählte Oskar Aszmann von der Medizinischen Universität Wien eine andere Methode, um den Patienten die motorischen Fähigkeiten der Hand zurückzugeben: Statt mit ihrer eigenen sollten sie mit einer robotischen Hand greifen. Die gelähmte eigene Hand muss dazu amputiert werden.

Die meisten bionischen Prothesen werden über Elektroden gesteuert, die elektrische Impulse vom Gehirn an die Prothese weitergeben. Diese Prothese hingegen wird über myoelektrische Signale, also über elektrische Signale der Muskeln gesteuert. Dafür haben die Mediziner um Aszmann eine andere Schnittstelle zwischen Gewebe und Prothese geschaffen: Sie transplantierten den Patienten einen Muskel aus dem Oberschenkel in den Arm, der die Signale der noch intakten Nerven verstärken sollte.

Gehirn trainiert für Prothese

Es dauerte etwa drei Monate, bis die Nerven in das Muskelgewebe gewachsen waren. Danach mussten die Patienten ihr Gehirn trainieren - das war nach jahrelanger Lähmung die Stimulation der Handnerven nicht mehr gewohnt. Mit Hilfe eines Sensorarmbands lernten sie zunächst, den Muskel zu aktivieren und zu kontrollieren.

Der nächste Schritt bestand darin, über die Stimulation des implantierten Muskels die Prothese zu steuern. Zuerst bewegten sie eine virtuelle Hand auf dem Computer. Dann bekamen sie eine bionische Prothese, die sie als zweite Hand trugen, die am Unterarm befestigt wurde.

Bionische Hand im Einsatz

Als sie das beherrschten, amputierten die Mediziner ihnen die gelähmte Hand, und sie bekamen die Prothese. Nach wenigen Monaten hätten sich die Probanden gut an ihre neue Hand gewöhnt und seien in der Lage gewesen, alltägliche Aufgaben auszuführen. Etwa mit einem Messer zu schneiden, mit einem Schlüssel eine Tür zu öffnen, Wasser in ein Glas zu gießen oder mit zwei Händen einen Knopf zu öffnen.

Der transplantierte Muskel funktioniere als Verstärker für die elektrischen Signale aus den Muskeln, erklärt Aszmann. "Diese Signale werden dann dekodiert und in klare mechatronische Handfunktion übersetzt." Da die Nerven eine Funktion haben, sollen die Probanden zudem weniger Phantomschmerz nach der Amputation verspüren.

Die Prothese ermöglicht den Trägern zwar das Greifen, nicht aber das Tasten. Das sei kompliziert, sagte Aszmann dem britischen Wissenschaftsmagazin New Scientist: In einer Hand gebe es rund 70.000 Nervenfasern. Davon seien aber nur etwa zehn Prozent für die Motorik. Der Rest seien sensorische Fasern, die Informationen von der Hand zum Gehirn transferieren.