Biomechatroniker des Linz Institute of Technology (LIT) haben kapazitive Sensoren für gedankengesteuerte Prothesen entwickelt und damit deren Qualität massiv erhöht. Die Prothesen sitzen besser und sind weniger störanfällig.

Prothesen vermitteln Patienten, die Gliedmaßen verloren haben, Unabhängigkeit im Alltag und wieder mehr Lebensqualität. Die Technologie ist weit fortgeschritten. Richtungsweisend sind gedankengesteuerte Prothesen. Wie Theresa Roland vom Institut für Medizin- und Biomechatronik der Johannes Kepler Universität Linz erklärt, basiert die Steuerung durch Gedanken auf noch vorhandenem Muskelgewebe. Der Gedanke im Gehirn sei letztlich ein elektrisches Signal, das durch Nervenfasern an Muskelfasern übermittelt werde – und sei an der Hautoberfläche messbar.

Sensortechnologie

Woran die Forschung feilt, das ist die technische Annäherung an die natürliche Nutzung von Gliedmaßen. Durch die Sensortechnologie eröffnen sich ständig neue Möglichkeiten. Diese sind aber in der Anwendung oft mit Hürden verbunden. Problematisch an sensorbasierten Prothesen bisher waren folgende Aspekte:

  • Gängige Sensoren bedürfen einer leitfähigen Verbindung zur Haut und sind schweißempfindlich. Für eine reibungslose Funktion des Sensors muss die Haut mit einer elektrolytischen Paste oder einem Hautpräparat vorbereitet werden.
  • Um eine leitfähige Verbindung zu gewährleisten, müssen die Sensoren fest auf die Haut gepresst werden. Das kann zu unangenehmen Druckstellen führen und wirkt besonders auf Menschen mit Durchblutungsstörungen belastend.
  • Jedes Verrutschen und jede Erschütterung der Prothese löst Fehlfunktionen aus.

Flexible kapazitive Sensoren

Die Biomechatroniker vom Linz Intitute of Technology haben erstmals flexible kapazitive Sensoren für gedankengesteuerte Prothesen eingesetzt und konnten so entscheidende Verbesserungen bewirken:

  • Flexible Sensoren passen sich der Anatomie des menschlichen Unterarms an, bieten hohen Tragekomfort und gewährleisten Stabilität und Störungssicherheit.
  • Kapazitive Sensoren reagieren berührungsfrei auf Annäherung eines leitenden oder nicht leitenden Gegenstands – sind also von der Leitfähigkeit der Haut unabhängig.

Durch die Anpassungsfähigkeit der flexiblen Sensoren werden Störungen reduziert. Vor allem aber entwickelte das Team einen relativ einfachen Algorithmus, mit dem die Sensoren zwischen Gedankensignal und Störimpuls unterscheiden können, erklärt Roland. Das System läuft ohne App. Die Algorithmen sind direkt am Sensor integriert. Insgesamt bringt die Innovation eine wesentliche Verbesserung der Funktionsweise der Prothese, da diese ausschließlich bei tatsächlicher Muskelkontraktion aktiviert wird. Andernfalls könnte es passieren, dass sich die Prothese bewegt, wenn zum Beispiel in der Nähe ein Handy aktiviert wird.

Kooperation mit Otto Bock Healthcare

Die flexiblen, kapazitiven Sensoren wurden in Kooperation mit Otto Bock Healthcare Products entwickelt und durch das Linz Center of Mechatronics gefördert. Das Projekt wurde im Journal Sensors veröffentlicht. Den Artikel finden Sie unter diesem Link

In einem weiteren Entwicklungsschritt will Roland auch künstliche Intelligenz einbinden. Neuronale Netze sollen vor allem genutzt werden, um die Robustheit des Sensors zu verbessern. Dieser soll noch besser zwischen Stör- und Nutzsignalen unterscheiden können.

Über gedankengesteuerte Prothesen

Die erste gedankengesteuerte Prothese wurde 1964 in USA entwickelt. In Europa gelangte das System erstmals 2007 zur Anwendung – durch eine Zusammenarbeit des Unternehmens Otto Bock Healthcare (Wien) mit US-Wissenschaftern. Für die Übertragung der Gedanken nutzt das System die Nerven, die ursprünglich für die Steuerung der Gliedmaßen verantwortlich waren.

Voraussetzung für die Funktion ist allerdings ein Nerventransfer. Das ist ein operativer Eingriff, bei welchem Nerven, die zu den amputierten Gliedmaßen führen, verlagert werden. Dabei werden noch vorhandene Nerven des Körperteils mit ebensolchen Muskelgruppen verbunden. Wenn die Nerven eingewachsen sind, ist der Patient gefordert, die verschiedenen Bewegungsmuster zu trainieren, bis von den Muskelgruppen bei Kontraktion ausreichend starke elektrische Impulse ausgehen.

Myoelektrische Prothesen

Es sind komplizierte biochemische Prozesse in den Muskelzellen, die elektrische Spannung im Mikrovoltbereich erzeugen. Die Fachbezeichnung dafür lautet Myoelektrik. Myoelektrische Prothesen sind batteriebetriebene und durch Muskelkontraktion in Bewegung gesetzte Prothesen. Diese erkennen über Elektroden oder Sensoren Muskelbewegungen und übersetzen diese in Steuerungsimpulse.

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