Amputierten mehr Kontrolle über ihr bionisches Bein verleihen
Bei bionischen Beinen wurden in den vergangenen zehn Jahren enorme Fortschritte erzielt. „Trotz dieser Fortschritte bei den Prothesen selbst funktionieren die Schnittstellen, über die sie gesteuert werden, nach wie vor suboptimal, was dem Amputierten das Gehen erschweren kann“, sagt Jose González, Forschungsleiter bei Ottobock, einem auf Prothetiklösungen spezialisierten Unternehmen. Ziel von Ottobock ist es, mit Unterstützung des EU-finanzierten Projekts SimBionics die Lücke zwischen Prothese und Steuerung zu schließen. Dazu wurde im Rahmen des Projekts eine neuartige Methode zur Steuerung motorisierter mechatronischer bionischer Beine entwickelt und getestet. „Wir haben eine völlig nichtinvasive Plattform geschaffen, mit der Amputierte ein bionisches Bein willentlich steuern und gleichzeitig wahrnehmen können, wie sich die Prothese bewegt“, fügt González hinzu. Dieses projekt wurde mit Unterstützung der Marie-Skłodowska-Curie Maßnahmen durchgeführt.
Digitale Kopie des menschlichen Beins erstellen
Die SimBionics-Lösung beginnt mit einer digitalen Kopie des menschlichen Beins mitsamt aller Knochen und dazugehöriger Muskeln und Sehnen. Bei diesem Konzept, das an der Universität Twente ausgearbeitet wurde, werden die elektrischen Signale, die von den Restmuskeln im Stumpf bei Amputierten erzeugt werden, der sogenannten Elektromyographie (EMG) genutzt, um die digitale Version des Phantombeins von Amputierten zu steuern. „Da das von uns geschätzte Verhalten des virtuellen Beins das Verhalten des Phantombeins bei Amputierten widerspiegelt, kann es zur Steuerung des bionischen Beins verwendet werden“, erklärt González.
Elektromyographie an der Hautoberfläche messen
SimBionics wollte sich auf Elektromyographien stützen, die von der Hautoberfläche aus gemessen werden, nicht über ein implantiertes Gerät. Dadurch können bei Amputierten zwar invasive Eingriffe vermieden werden, doch ist die Steuerung einer Prothese nur mit Oberflächen-Elektromyographie nicht 100 % zuverlässig. Aus diesem Grund haben die Forschenden wichtige Merkmale des zentralen Nervensystems modelliert, wie z. B. die Muskelreflexe und -primitive, von denen angenommen wird, dass sie unseren Gang steuern. „Diese Modelle können die Robustheit und Zuverlässigkeit der Steuerung der Prothese weiter erhöhen, wodurch sie besser auf externe Störungen reagiert und das Gleichgewicht bei Amputierten verbessert wird“, so González.
Künstliches sensorisches Feedback lässt Amputierte wissen, was das bionische Bein tut
Ein weiteres wesentliches Merkmal der SimBionics-Lösung ist die Anwendung eines künstlichen sensorischen Feedbacks, um Amputierten das Gefühl dafür zu geben, was das bionische Bein tut. Das Feedbacksystem, das an der Universität Aalborg entwickelt wurde, liest die Daten der in der Prothese eingebauten und der extern hinzugefügten Sensoren und setzt diese Informationen in Stimulationsprofile um, die dann an die betroffene Person gesendet werden. „Wenn Amputierte wissen, ob sich das Bein bewegt oder nicht, können sie nicht nur die Prothese besser kontrollieren, sondern auch die Sicherheit und das Vertrauen in die Prothese verbessern“, kommentiert González.
Amputierten helfen, unterschiedlich schnell zu gehen
Nach der Zusammenstellung all dieser Funktionen und Komponenten war es an der Zeit, die Lösung zu erproben. Bei Tests mit verschiedenen Amputierten haben die Forschenden erfolgreich demonstriert, wie SimBionics Nutzenden helfen kann, in verschiedenen Geschwindigkeiten zu gehen und andere komplexe Bewegungen auszuführen. „Das Projekt ebnet den Weg zu einer neuen Denkweise über die Steuerung von Prothesen der unteren Gliedmaßen, die darauf abzielt, die biologischen sensorisch-motorischen Schleifen mithilfe neuromuskuloskelettaler Modellierung und künstlichem sensorischen Feedback nachzubilden“, schließt González.
Schlüsselbegriffe
SimBionics, Amputierte, bionisches Bein, Prothese, Prothesen, Prothetik, digitale Kopie, Elektromyographie, künstliches sensorisches Feedback, Sensoren
