Eine lebensechte Armprothese

Menschen, die einen Arm verloren haben, hatten traditionell nicht viel Hoffnung, jemals eine sinnvolle Funktion wiederzuerlangen. Armprothesen wurden rudimentär gesteuert, indem Restbewegungen der Schulter oder Muskelsignale in einfachste Bewegungsbefehle umgewandelt wurden. Diese künstlichen Arme können nicht zwei Dinge gleichzeitig tun, geschweige denn drei oder vier. Amputierte werfen sie oft aus purer Frustration in den Schrank, etwas gestochen von der Tatsache, dass Beinamputierten weitaus bessere Produkte zur Verfügung stehen.

Ein bionischer Arm: Nach einem neuartigen chirurgischen Eingriff kann Claudia Mitchell eine Armprothese genauso steuern wie früher ihren echten Arm, indem sie komplexe Bewegungen wie das Aufnehmen kleiner Gegenstände und das Fallenlassen in eine Tasse ausführt.

Aber die Situation beginnt sich zu ändern, dank eines Teams unter der Leitung von Todd Kuiken, Direktor des Rehabilitation Institute of Chicagos Center for Bionic Medicine. Kuiken hat eine neuartige Operationstechnik entwickelt, die in Kombination mit bereits auf dem Markt befindlichen motorisierten Prothesenarmen und experimentellen bionischen Armen, die im Rahmen eines Programms der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) entwickelt wurden, Amputierten ein bemerkenswertes Maß an Fingerfertigkeit verleiht. Claudia Mitchell, die 2004 bei einem Motorradwrack ihren Arm verlor, erinnert sich, dass sie nach Kuikens Eingriff eine Prothese angelegt und zum ersten Mal gesehen hat, wie sie funktioniert: Dieses Grinsen konnte man mir nicht aus dem Gesicht wischen. Ich kann jetzt wieder ein Hemd bügeln, wie es niemanden angeht. Mitchell ist ein Hit auf Partys. Die Leute können nicht glauben, wie dieses Ding funktioniert, sagt sie. Sie wollen sehen, wie ich Dinge damit mache.



Kann Technologie die Wirtschaft retten?

Diese Geschichte war Teil unserer Ausgabe vom Mai 2009

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Das Gerät wird durch Befehle von überlebenden Armnerven aktiviert, die an anderer Stelle transplantiert und mit Muskeln neu verdrahtet wurden – typischerweise, wie in Mitchells Fall, in der Brust. Die Nerven senden elektrische Signale, um die Armprothese zu steuern, mit so natürlichen Ergebnissen, dass Beobachter oft nicht erkennen, dass der Arm bionisch ist, bis sie genau auf das Geräusch surrender Motoren achten. Dieses Verfahren wird als gezielte Muskelreinnervation bezeichnet und ist einzigartig, da es eine intuitive Kontrolle über die Robotergliedmaße ermöglicht. Nach etwa sechs Monaten Heilung können die Patienten den Arm bewegen, indem sie nur darüber nachdenken, was sie tun möchten, so wie sie es früher mit ihren echten Armen getan haben. Sagen Sie Mitchell Beugen Sie Ihren Arm, und die Muskeln in ihrer Brust zucken augenblicklich zusammen – ein höchst eigenartiger Anblick. Aber sie denkt nicht daran, ihre Brustmuskeln zu bewegen. Vielmehr denkt sie darüber nach, ihren Arm zu beugen, und dieser Gedanke bewegt die Brustmuskeln, damit der Roboterarm ihren Befehlen tut.

Kuiken veröffentlichte kürzlich vielversprechende Testergebnisse im Zeitschrift der American Medical Association , die zeigt, dass fünf Patienten, die mit einer virtuellen Prothese 10 verschiedene Armbewegungen ausführen sollten, dies fast so leicht tun konnten wie Nichtamputierte in einer Kontrollgruppe: Ihre Reaktionszeit war weniger als eine Viertelsekunde länger. (Die virtuelle Prothese ermöglicht es Wissenschaftlern, die Geschwindigkeit und den Grad der Kontrolle, die aus Muskelsignalen abgeleitet werden können, leichter herauszufinden. Forscher führten ähnliche Experimente mit mechanischen Armen durch.) In einem begleitenden Leitartikel schrieb der bahnbrechende biomedizinische Ingenieur Gerald Loeb, The speed as sowie die Genauigkeit der Bewegungen stellen wesentliche Verbesserungen gegenüber früheren Systemen dar. Noch wichtiger ist jedoch die Leichtigkeit, mit der Patienten gelernt haben, Aufgaben auszuführen, die eine koordinierte Bewegung in mehr als einem Gelenk erfordern. Er kam zu dem Schluss: Mit zunehmenden funktionellen Fähigkeiten können Patienten mit Amputationen der oberen Extremitäten außergewöhnlichen Nutzen aus einer Armprothese ziehen, genauso wie Heerscharen von Patienten mit Amputationen der unteren Extremitäten heute ein bemerkenswert normales und sogar sportliches Leben führen. (Beinprothesen sind in der Entwicklung weiter fortgeschritten, weil es einen größeren Markt für sie gibt: 90 Prozent der Amputierten haben untere Gliedmaßen verloren. Außerdem erfordern Beine nicht so viel Fingerfertigkeit wie Arme.)

Der Weg von der Erstberatung in Chicago bis zur vollen Funktionalität – etwa die Möglichkeit, eine Zitrone mit der Prothesenhand zu schneiden, während man sie mit einer natürlichen Hand hält – dauert oft ein Jahr oder länger. Die Patienten werden zunächst einer zweistündigen Operation unterzogen, die von Greg Dumanian durchgeführt wird, einem plastischen und Handchirurgen aus Chicago, der bei der Entwicklung des Verfahrens eng mit Kuiken zusammengearbeitet hat. Dumanian identifiziert den überlebenden Teil der Nerven, die zuvor elektrische Signale vom Rückenmark zum verlorenen Glied geleitet haben; dann überträgt er sie auf die Brust- oder Oberarmmuskeln. Der Nerv, der normalerweise das Schließen der Hand auslöst, kann beispielsweise auf einen Teil des Brustmuskels übertragen werden. (Die genaue Vorgehensweise variiert je nach Verletzung des Patienten.) Wenn der Roboterarm an Ort und Stelle ist, erkennt eine Elektrode auf der Brust die Kontraktionen in diesem Muskel und sendet das Signal an die Prothese. Die Prothese ist so programmiert, dass sie dieses Signal als Befehl zum Schließen der Hand interpretiert, und die Aktion findet normalerweise weniger als eine halbe Sekunde nach der Bewegung des Brustmuskels statt.

Die experimentellen bionischen Arme sind auch mit Mustererkennungsalgorithmen programmiert, um die schnelle Folge von Nervensignalen zu entschlüsseln, die Hand- und Handgelenkbewegungen steuern. Die mehr als 30 Patienten, die sich dem Eingriff unterzogen haben, berichten, dass sie problemlos Peperoni in Scheiben schneiden, eine Tüte Mehl öffnen, einen Gürtel anlegen, ein Maßband bedienen oder einen neuen Tennisball aus einem Behälter nehmen können.

Unter mehreren experimentellen Ansätzen zur Verbesserung von Armprothesen, einschließlich der Übertragung von Nerven direkt auf eine Prothese und der Dekodierung von Bewegungssignalen direkt aus dem Gehirn, hat Kuikens Technik die meisten Fortschritte gemacht. Ersteres muss noch am Menschen getestet werden, letzteres gilt derzeit für die meisten Patienten als zu gefährlich, da es eine Gehirnoperation erfordert. Kuiken sagt, dass er die gezielte Reinnervation als einen schnelleren und praktischeren Weg zur Wiederherstellung wichtiger Funktionen ansieht. (Sein Ansatz hilft jedoch nicht bei Tetraplegikern, da die Nerven intakt sein müssen, damit der Eingriff funktioniert.) Bisher wird der Eingriff nur in Kuikens Reha-Zentrum durchgeführt; In laufenden Studien bietet das Zentrum es allen Patienten an, für die es medizinisch geeignet ist.

So fortgeschritten sie auch ist, der experimentellen Prothetik fehlt noch eine wichtige Funktion: die Sensation. Wenn Mitchell ihre bionische Hand auf eine heiße Pfanne legen würde, hätte sie keine Möglichkeit, deren Temperatur zu kennen. Es ist komplizierter, der Prothese sensorische Fähigkeiten zu verleihen, die denen einer echten Extremität ähneln, als die Bewegung wiederherzustellen. Aber es ist nicht unmöglich. Während sich Kuikens Verfahren auf die Bewegung motorischer Nerven konzentriert, die Nervensignale vom Gehirn zu den Muskeln weiterleiten, scheinen auch sensorische Nerven betroffen zu sein, die Signale von der Haut zum Gehirn weiterleiten. Patienten, darunter Mitchell, haben berichtet, dass sie sich beim Berühren bestimmter Bereiche ihrer neu verdrahteten Brustmuskulatur fühlen, als ob ihre fehlende Hand berührt würde. Legen Sie einen Eiswürfel auf die Brust und eine Phantomhand wird kalt.

Kuiken, Loeb und andere untersuchen Möglichkeiten für den bionischen Arm, diese sensorischen Informationen zu nutzen. Zunächst einmal benötigen sie Sensoren, die Feuchtigkeit, Hitze und den anderen physikalischen Eventualitäten des täglichen Lebens gut standhalten. Sie müssen dann diese sensorischen Informationen an den Träger weitergeben.

Aber klar ist jetzt, dass erstmals eine brauchbare Armprothese in Sicht ist. Wir versuchen nicht, eine bionische Person zu erschaffen, die hohe Gebäude überspringen und Autos aufheben kann, sagt Kuiken. Wir versuchen, etwas zu entwickeln, das einen Bruchteil der unglaublichen Funktion, Kraft und Effizienz einer menschlichen Gliedmaße wiederherstellt. Für Armamputierte wie Claudia Mitchell bedeutet das, eine Chance zu bekommen, die Beinamputierte seit Jahren haben.

Michael Rosenwald ist angestellter Autor bei der Washington Post .

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