Menschen mit Beinamputation können Prothese mit Gehirn steuern
Eine andere Art der Amputation und Signale des Gehirns ermöglichen es amputierten Menschen, sich wieder besser zu bewegen, zeigt eine Studie.
Menschen mit Beinamputationen waren in der Lage, ihre Beinprothesen mit ihrem Gehirn zu steuern. Dies ist ein bedeutender wissenschaftlicher Fortschritt, der einen geschmeidigeren Gang und eine verbesserte Fähigkeit, Hindernisse zu überwinden, ermöglicht, so eine am Montag (1. Juli) in der Zeitschrift Nature Medicine veröffentlichte Studie.
Durch die Herstellung einer Verbindung zwischen dem Nervensystem einer Person und ihrer Beinprothese haben Forscher des K. Lisa Yang Center for Bionics am Massachusetts Institute of Technology und dem Brigham and Women‘s Hospital den Weg für die nächste Generation von Prothesen geebnet. „Wir waren in der Lage, die erste vollständige neuronale Kontrolle des bionischen Gehens zu zeigen“, sagt Hyungeun Song, Erstautorin der Studie und Postdoktorandin am MIT.
Die meisten modernen bionischen Prothesen verlassen sich auf vorprogrammierte Roboterbefehle statt auf die Signale des Gehirns des Benutzers. Fortgeschrittene Robotertechnologien können die Umgebung wahrnehmen und wiederholt eine vordefinierte Beinbewegung aktivieren, um einer Person dabei zu helfen, sich in einem bestimmten Terrain zu bewegen.
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Hauptautor der Studie verwendet fortschrittliche Roboterprothesen
Viele dieser Roboter funktionieren jedoch am besten auf ebenem Boden und haben Schwierigkeiten, gewöhnliche Hindernisse wie Unebenheiten oder Pfützen zu überwinden. Der Prothesenträger hat oft wenig Einfluss auf die Anpassung der Prothese, sobald sie in Bewegung ist, insbesondere bei plötzlichen Geländeveränderungen.
„Wenn ich laufe, fühlt es sich an, als würde ich laufen, weil ein Algorithmus Befehle an einen Motor sendet und ich nicht“, sagte Hugh Herr, der Hauptautor der Studie und Professor für Medienkunst und -wissenschaften am MIT und ein Pionier auf dem Gebiet der Biomechatronik, einem Gebiet, das Biologie mit Elektronik und Mechanik verschmilzt. Herr wurden vor einigen Jahren aufgrund von Erfrierungen die Beine unterhalb des Knies amputiert, und er verwendet fortschrittliche Roboterprothesen.
„Es gibt immer mehr Belege dafür, dass, wenn man das Gehirn mit einer mechatronischen Prothese verbindet, eine Verkörperung eintritt, bei der die Person die synthetische Gliedmaße als eine natürliche Verlängerung ihres Körpers betrachtet“, sagte Herr. Die Autoren arbeiteten mit 14 Studienteilnehmern, von denen die Hälfte eine Unterschenkelamputation durch ein als Agonist-Antagonist-Myoneural-Interface (AMI) bezeichnetes Verfahren erhielt, während die andere Hälfte eine herkömmliche Amputation erhielt.
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Chirurgische und technische Innovationen verbinden
„Das Tolle an dieser Studie ist, dass sie chirurgische Innovationen mit technologischen Innovationen verbindet“, so Conor Walsh, Professor an der Harvard School of Engineering and Applied Sciences, der sich auf die Entwicklung von tragbaren Hilfsrobotern spezialisiert hat und nicht an der Studie beteiligt war. Die AMI-Amputation wurde entwickelt, um die Grenzen der herkömmlichen Beinamputation zu überwinden, bei der wichtige Muskelverbindungen an der Amputationsstelle durchtrennt werden.
Bewegungen werden durch die Art und Weise ermöglicht, wie sich Muskeln in Paaren bewegen. Ein Muskel - der sogenannte Agonist - kontrahiert, um eine Gliedmaße zu bewegen, und ein anderer - der sogenannte Antagonist - verlängert sich in Reaktion darauf. Beim Bizepscurl beispielsweise ist der Bizepsmuskel der Agonist, weil er sich zusammenzieht, um den Unterarm anzuheben, während der Trizepsmuskel der Antagonist ist, weil er sich verlängert, um die Bewegung zu ermöglichen.
Wenn bei einer chirurgischen Amputation Muskelpaare durchtrennt werden, ist die Fähigkeit des Patienten, Muskelkontraktionen nach der Operation zu spüren, beeinträchtigt, was wiederum seine Fähigkeit beeinträchtigt, die Position seiner Prothese im Raum genau und fein zu spüren. Im Gegensatz dazu werden bei der AMI-Methode die Muskeln der verbleibenden Gliedmaße wieder miteinander verbunden, um das wertvolle muskuläre Feedback einer intakten Gliedmaße zu reproduzieren.
Nächste Generation von Prothesentechnologien „befasst sich mit dem Gefühl“
Die Studie „ist Teil einer Bewegung der nächsten Generation von Prothesentechnologien, die sich mit dem Gefühl und nicht nur mit der Bewegung befassen“, so Eric Rombokas, Assistenzprofessor für Maschinenbau an der University of Washington, der nicht an der Studie beteiligt war.
Das AMI-Verfahren zur Amputation des Unterschenkels wurde nach Jim Ewing benannt, dem ersten Patienten, der sich im Jahr 2016 diesem Verfahren unterzog. Patienten, die sich der Ewing-Amputation unterzogen, hatten weniger Muskelschwund in ihrem Stumpf und weniger Phantomschmerzen, d. h. das Gefühl, Beschwerden in einer Gliedmaße zu verspüren, die nicht mehr existiert.
Die Forscher statteten alle Teilnehmer mit einer neuartigen bionischen Gliedmaße aus, die aus einer Knöchelprothese, einem Gerät, das die elektrische Aktivität der Muskelbewegungen misst, und Elektroden auf der Hautoberfläche bestand. Das Gehirn sendet elektrische Impulse an die Muskeln und veranlasst sie, sich zusammenzuziehen. Die Kontraktionen erzeugen ihre eigenen elektrischen Signale, die von den Elektroden erfasst und an kleine Computer in der Prothese gesendet werden. Die Computer wandeln diese elektrischen Signale dann in Kraft und Bewegung für die Prothese um.
„Diese Art der Beugung machte alles so viel realer“
Amy Pietrafitta, eine Studienteilnehmerin, die nach schweren Brandverletzungen die Ewing-Amputation erhielt, sagte, dass die bionische Gliedmaße ihr die Möglichkeit gab, beide Füße zu zeigen und wieder Tanzbewegungen auszuführen. „Diese Art der Beugung machte alles so viel realer“, sagte Pietrafitta. „Es fühlte sich an, als ob alles da wäre. Dank der verbesserten Muskelsensationen konnten die Teilnehmer nach der Ewing-Amputation mit ihrer bionischen Gliedmaße schneller und mit einem natürlicheren Gang gehen als diejenigen, die sich einer herkömmlichen Amputation unterzogen.
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Wenn eine Person von ihrem normalen Gang abweicht, muss sie sich in der Regel mehr anstrengen, um sich fortzubewegen. „Dieser Energieaufwand führt dazu, dass unser Herz und unsere Lungen härter arbeiten ... und es kann zu einer allmählichen Zerstörung unserer Hüftgelenke oder unserer unteren Wirbelsäule führen“, sagte Matthew J. Carty, ein rekonstruktiver plastischer Chirurg am Brigham and Women‘s Hospital und der erste Arzt, der das AMI-Verfahren durchführte.
Patienten, denen die Ewing-Amputation und die neue Prothese eingesetzt wurden, konnten auch problemlos Rampen und Treppen überwinden. Sie passten ihren Stand an, um sich die Treppe hinaufzuschieben und den Stoß beim Hinuntergehen abzufangen. Die Forscher hoffen, dass die neuartige Prothese in den nächsten fünf Jahren auf dem Markt erhältlich sein wird.
„Wir beginnen, einen Blick auf diese glorreiche Zukunft zu werfen, in der eine Person einen großen Teil ihres Körpers verlieren kann und eine Technologie zur Verfügung steht, um diesen Teil ihres Körpers voll funktionsfähig zu rekonstruieren“, sagte Herr.
Von Lizette Ortega
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Dieser Artikel war zuerst am 1. Juli 2024 in englischer Sprache bei der „Washingtonpost.com“ erschienen – im Zuge einer Kooperation steht er nun in Übersetzung auch den Lesern der IPPEN.MEDIA-Portale zur Verfügung.
