Gedankengesteuerte Handprothesen stellen 100 realistische Tastempfindungen wieder her. (Übersetzung)

Kevin Walgamot hält und fühlt die Hand seiner Frau wieder mit einem experimentellen Roboterarm. Foto: Jacob George et al. Laborarzt Greg Clark, Universität von Utah.

Als Kevin Walgamot die Hand ausstreckte, nahm er seine Frau bei der Hand und sein Gesicht verzog sich zu einem riesigen Lächeln. Zum ersten Mal seit 14 Jahren spürte er, wie ihre weichen Finger fest auf die Handfläche der Prothese gedrückt wurden.

David testet eine neue Oberfläche, die Bewegung und Empfindung nahtlos kombiniert. Was ist der Zweck? Es soll das Gefühl der „Fremdheit“ der Roboterprothese durch etwas Intuitives und Natürliches als Teil ihrer selbst ersetzen.

Die Schnittstelle wird direkt in die verbleibenden Nerven von Kevins verlorenem Unterarm implantiert und übersetzt Gedanken in elektrische Signale, die den geschickten Roboterarm in Bewegung setzen.

Aber das ist noch nicht alles: Es empfängt auch Informationen von Sensoren an einem Roboterarm und sendet sie über zwei implantierte elektrische Arrays mit hoher Dichte an das Gehirn zurück. Im Gehirn verwandeln sich elektrische Impulse in ein Gefühl von Druck, Vibration und Bewegung - Empfindungen, die wie von einem eigenen fehlenden Glied ausgehen.

Es ist diese geschlossene Schleife vom Gedanken zur Bewegung und dann zum sensorischen Feedback, die das Gerät zu etwas Besonderem macht.

„Menschen denken oft an Berührung als einsames Gefühl, aber in Wirklichkeit umfasst es auch andere Sinne wie Druck, Vibration, Temperatur, Schmerz usw. Die hohe Auflösung unseres Geräts ermöglicht es Ihnen, diese Kontaktunterklassen isoliert (dh Druck ohne Vibration und Schmerz) in einem bestimmten Teil der Hand zu aktivieren. “, Sagt Jacob George , der an der Entwicklung der Schnittstelle an der Universität von Utah mitgewirkt hat .

Im Gegensatz zu früheren Generationen von Schnittstellen, die nur etwa 20 Empfindungen vermitteln - zum Beispiel können die Teilnehmer nur Druck spüren - stellt das neue System 100 einzigartige Empfindungen mit subtilen Unterschieden wieder her.

Und das macht die Schnittstelle radikal anders.

George erklärt: „Unsere Mitglieder kontrollierten den Zahnersatz mit dem Gedanken davor. Sie fühlten auch das Gefühl ihrer fehlenden Hand vor. Die Kombination beider Ansätze und das Hinzufügen von Feedback ist jedoch eine völlig andere Erfahrung. Plötzlich wird die Hand wieder lebendig. “

Prothetische Probleme

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Forscher der University of Utah entwickeln einen experimentellen Roboterarm, der durch die Erfassung von Nervenimpulsen gesteuert wird.

Kevin ist einer der 1,6 Millionen Menschen in den USA, die amputiert wurden.

„Wenn Sie ein Glied verloren haben, verlieren Sie nicht nur physisch einen Teil Ihrer selbst, sondern auch einen Teil der spirituellen Komponente“, sagt George.

Depressionen und Angstzustände treten auf. Einige Patienten haben sogar Phantomschmerzen, ein brennendes Gefühl, das anscheinend von ihren amputierten Gliedmaßen ausgeht, und sprechen nicht auf herkömmliche Schmerzmittel an.

"Unsere Teilnehmer beschrieben den Verlust von Händen als den Verlust eines Familienmitglieds, das sie jeden Tag ertragen müssen", sagte George.

Es ist dieses „emotionale Biest“, das extrem schwer zu zähmen ist. Ein Grund ist, dass sich moderne Prothesen einfach nicht richtig anfühlen. Wissenschaftlern ist es bereits gelungen, flexible Prothesen herzustellen, die einige normale Funktionen wiederherstellen. Diese Geräte erfassen normalerweise elektrische Signale von den Muskeln über der Amputationsstelle mithilfe von Oberflächenelektroden - ein nicht-invasiver Ansatz, der jedoch weniger selektiv auf einzelne Nervenfasern wirkt.

"Im übertragenen Sinne ist es genauso schwierig, ein privates Gespräch mit jemandem in einem Fußballstadion zu führen, wenn man draußen schreit", sagte George.

Spätere Prothesen werden direkt mit der Quelle verbunden: dem motorischen Kortex des Gehirns des Patienten oder seinen verbleibenden Nerven im Stumpf. Diese Nerven vermitteln die Absicht des Gehirns, zu einem amputierten Glied zu wechseln. Diese Signale können dekodiert werden, um den Prothesenarm zu bewegen.

Im Vergleich zum Gehirn sind Handnerven für die Implantation viel sicherer. Ihre Signale sind auch leichter zu verstehen - ein Neuron gibt ein Signal, ein Muskel zuckt. Anstatt zu versuchen, ein Signal in der Kakophonie der Großhirnrinde zu identifizieren, ist es sinnvoller, stromabwärts des Signals zu handeln.

Trotz der erstaunlichen Technologie, mit der Patienten einen Roboterarm mit ihren Gedanken steuern können, haben diese Geräte immer noch Probleme.

Ohne das sensorische Feedback, das wir normalerweise erhalten, können Patienten den Griff nicht fein einstellen. Anstatt Trauben zu kneifen, verwandeln sie sie in Brei. Es ist nicht intuitiv und enttäuschend.

„Infolgedessen lehnen fast 50 Prozent der Patienten Prothesen ab. Wir möchten die volle Erfahrung mit der Hand wiederherstellen “, sagt George.


Roboruk erlaubt Kevin, die Gegenstände wieder zu fühlen, er konnte Trauben nehmen, ohne Beeren zu zerdrücken. (Utah State University)

Utah Entscheidung

Forscher der University of Utah haben eine Technologie entwickelt, mit der Benutzer Objekte mit einem Roboterarm erfassen können. In einem Experiment konnten sie zwischen einem weichen Schwamm und hartem Kunststoff unterscheiden.

Die Arbeit des neuen Systems besteht aus zwei Teilen: Erstens nimmt es Signale vom Gehirn über zwei mikroelektronische Arrays auf einen Bruchteil eines Pennys auf, dessen Größe in die verbleibenden Nerven des Patienten implantiert wird, die den Arm erregen. Gleichzeitig nimmt ein anderer Teil der Elektroden Signale von den verbleibenden Muskeln auf.

"Nach der Implantation müssen wir eine Karte erstellen, welche Empfindungen möglich sind, und diese ist für jeden Patienten individuell", sagt George.

Wir haben jede Elektrode des Arrays sorgfältig stimuliert, insgesamt waren es 192, und wir haben Kevin gebeten zu sagen, wo er die Empfindungen empfand und wie es war.

Zum Beispiel war die Elektrode 64 mit einem Druckgefühl auf der Fingerspitze verbunden. Das Team aktiviert den Drucksensor am Daumen der Prothese, so dass er sich wie ein biologischer Arm verhält.

Sobald wir das Mapping abgeschlossen haben, erfolgt der gesamte Übersetzungsprozess automatisch. Kevin kann die Armprothese intuitiv bewegen, als würde er seine eigene Hand kontrollieren.

Wenn die Prothese Kontakt aufnimmt, stimuliert das Team die entsprechende Elektrode, um dem Patienten Feedback zu geben. Für die Fingerspitze ist dies die Elektrode 64. Je stärker der Druck, desto stärker das Signal. Im Wesentlichen ersetzen Elektrodenarrays verlorene Nervenenden, die normalerweise den Arm erregen.
Wenn der Daumen der Prothese die Trauben berührt, spürt Kevin eine Berührung.

Die funktionalen Verbesserungen waren enorm. In einem Test, bei dem Kevin gebeten wurde, sich um ein „mechanisches Ei“ zu bewegen, das Druck verspürt, gelang es ihm, ohne die Grenze zu durchbrechen, und er zeigte das Ergebnis 21% besser, wenn das sensorische Feedback aktiviert wurde.

Ganz mich

Aber vielleicht ist der größte Vorteil die Emotionalität.

In einem Video wurde ein ehemaliges Mitglied gebeten, eine virtuelle Tür mit einer Computerprothese zu berühren. Die Simulation war kartoniert und grob, aber für den Patienten war es egal.

Er griff zur Tür und seufzte laut: „Oh mein Gott. Ich fühle die Tür! " - und rief keuchend aus: „Gott! Das ist so cool! "

"Es ist nicht so, dass der Teilnehmer die Berührung mit seiner abwesenden Hand spürte, sondern dass er zum ersten Mal seit 24 Jahren der Interaktion mit der Umwelt die Tür gefühlt hat", erklärt George.

Dieses Gefühl ist die Verkörperung dessen, was bisher in der Prothetik fehlte.

Kevins Erfahrung war nicht weniger heimtückisch. Nach dem Training mit einer auf einem 3D-Drucker gedruckten Handprothese wurde er gefragt, was er gerne tun würde.

„Ich möchte meine Hände zusammendrücken“, sagte er, faltete seine verbleibende Hand vorsichtig zu einer losen Faust und drückte sie wiederholt auf die Prothese, als würde er nach einem langen Tag seine Knöchel massieren.

„Anfangs war die Prothese nur ein Hilfsmittel, um ihm bei alltäglichen Aktivitäten zu helfen, aber jetzt verhält sich das wie seine eigene Hand.
Es geht nicht nur um verbesserte Geschicklichkeit oder Sensibilität, sondern auch darum, sich wieder vereint zu fühlen “, so George.

Das Team arbeitet nun begeistert an einer drahtlosen Heimversion seines Systems, die Patienten im Alltag verwenden können. Ohne Kabel sollten Sie weniger Chancen auf Infektionen und Ausfälle haben. Es wird auch erwartet, dass diese Vorteile durch vermehrte Praxis und fortgesetzte Nutzung verbessert werden.

Nachdem das Team bereits die aktuelle Schnittstelle mit sieben Patienten getestet hat, ist es zuversichtlich. Sie sagen, dass sie eine drahtlose Version herstellen werden, die in etwa einem Jahr für Tests am Menschen bereit ist.

"Letztendlich wird es, wie einer unserer Patienten sagte, genauso aussehen wie Luke Skywalkers Hand, dann wird jeder eine solche Prothese wollen", schließt George mit einem breiten Grinsen.


Lukes Hand, eine von DEKA entworfene Roboterprothese, benannt nach Luke Skywalker, dem Protagonisten des Star Wars-Films, der eine Prothese trägt.

das Original

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