Bionische Hand mit Tiefensensibilität

Eine bionische Hand, die Amputierten neben dem taktilen Feedback auch die Propriozeption ermöglicht, also den Sinn dafür, wo sich ein Körperteil gerade befindet, haben Wissenschaftler an der EPFL entwickelt.

Die Ergebnisse der Arbeit, Gipfelpunkt von zehn Jahren Forschung, wurden in Science Robotics publiziert. Die neuartige bionische Hand entstand in Zusammenarbeit der Forscher der EPFL, der Sant’Anna Scuola Universitaria Superiore Pisa und dem Gemelli-Krankenhaus in Rom (Policlinico Universitario Agostino Gemelli). Mit ihr können Amputierte einen sehr nuancierten und fast natürlichen Tastsinn zurückgewinnen. Es gelang den Wissenschaftlern, das Gefühl der Propriozeption nachzubilden, der Fähigkeit des Gehirns also, die Position von Gliedmaßen während oder nach einer Bewegung auch im Dunkeln oder mit geschlossenen Augen instantan und präzise wahrzunehmen.

Mit der Lösung können Patienten nach einem Gegenstand auf einem Tisch greifen, und sich ohne hinzuschauen ein Bild über dessen Beschaffenheit, Gestalt, Lage und Größe zu machen. Die Prothese hat sich in Tests mit mehreren Patienten bewährt. Ihre Funktionsweise beruht auf dem Stimulieren der Nerven im Armstumpf des Amputierten. Die Nerven geben den Patienten dann ein sensorisches Feedback in Echtzeit, fast so wie in einer echten Hand.

Die Ergebnisse der Arbeiten wurden im Journal Science Robotics publiziert. Sie bilden eine Synthese aus zehn Jahren Forschung unter der Leitung von Silvestro Micera, Professor für Bio-Engineering an der EPFL Science et Techniques de l’Ingénieur, der Sant’Anna Scuola Universitaria Superiore Pisa und Paolo Maria Rossini, Leiter der neurowissenschaftlichen Abteilung an der Gemelli-Universitätspolyklinik in Rom.

Sensorisches Feedback

Aktuell eingesetzte myoelektrische Prothesen ermöglichen es den Amputierten durch die noch vorhandene Muskelfunktion im Unterarm ihre künstliche Hand willkürlich zu steuern. Aber die fehlende sensorische Rückkopplung bedeutet, dass der Patient auf visuelle Signale angewiesen ist. Die künstlichen Gliedmaßen können dann als fremd, nicht zum eigenen Körper gehörig, empfunden werden, ihr Gebrauch kommt den Patienten unnatürlich vor.

In der jüngsten Vergangenheit haben verschiedene Forscherteams den Amputierten das Gefühl eines taktilen Feedbacks ermöglichen können, das zu einer verbesserten Leistung und körperlichen Integration der Prothese führt. Die neue Arbeit geht jedoch noch einen Schritt weiter.

„Unsere Arbeit zeigt, dass die sensorische Nachbildung basierend auf intraneuraler Stimulation eine Rückmeldung zur Position und zu Berührungen liefert, und das in Echtzeit“, erklärt Micera. „Das Gehirn hat kein Problem, die Information zu kombinieren und die Patienten können mit hervorragenden Ergebnissen beide Wahrnehmungen in Echtzeit verarbeiten.“

Die intraneurale Stimulation stellt den Informationsfluss von außen mittels elektrischer Impulse wieder her, ausgelöst von Elektroden im Armstumpf des Patienten. Begleitend dazu muss der Patient wieder lernen, diese Impulse in propriozeptive und taktile Wahrnehmungen zu übersetzen. Mit dem Verfahren können die Amputierten eine hohe propriozeptive Auflösung, vergleichbar jener von gesunden Personen, zurückgewinnen,. Das gleichzeitige Bereitstellen von Lageinformation und taktilem Feedback erlaubte es zwei Versuchspersonen, Größe und Form von vier Objekte mit großer Genauigkeit (75,5 Prozent) zu bestimmen.

„Die Ergebnisse zeigen, dass Amputierte taktile Informationen und Lageinformationen effektiv verarbeiten können, wenn sie die entsprechenden Stimuli intraneural empfangen“, resümiert Edoardo D’Anna, EPFL-Wissenschaftler und Hauptautor der Studie.

Mehrere europäische Universitäten waren außerdem in die Arbeiten involviert: Die Universität von Cagliari, die Universität Montpellier und die Universität Freiburg i. Br.

Unterstützt wurden die Arbeiten von der Europäischen Kommission, dem Nationalen Forschungsschwerpunkt (NFS) Robotik der Schweiz und der Fondation Bertarelli.

Literatur: E. D’Anna, G. Valle, A. Mazzoni, I. Strauss, F. Iberite, J. Patton, F. Petrini, S. Raspopovic, G. Granata, R. Di Iorio, M. Controzzi, C. Cipriani, T. Stieglitz, P. M. Rossini, and S. Micera, A closed-loop hand prosthesis with simultaneous intraneural tactile and position feedback, Science Robotics