Beinprothese mit Gespür verbessert die Gesundheit

Menschen mit intakten Beinen sp¨¹ren, wenn sie ihr Knie bewegen oder wenn ihre F¨¹sse den Boden ber¨¹hren. Ihr Nervensystem nutzt st?ndig solche sensorischen R¨¹ckmeldungen, um die Muskeln pr?zise zu steuern. Wer eine Beinprothese tragen muss, weiss jedoch nicht so genau, wo sich die Prothese befindet und wie sie sich bewegt. Beim Gehen der Prothese zu vertrauen, ist f¨¹r diese Personen schwierig, und sie verlassen sich deshalb oft zu stark lediglich auf ihr intaktes Bein. Ihre Beweglichkeit ist daher eingeschr?nkt, und sie erm¨¹den schnell. Zudem leiden Menschen mit einer amputierten Extremit?t h?ufig unter Phantomschmerzen, welchen mit Medikamenten nur schwer beizukommen ist.

Ein internationales Forscherteam unter der Leitung der ETH Z¨¹rich und des Lausanner Start-ups Sensars hat nun eine Schnittstelle entwickelt, um eine Beinprothese mit den Nerven im Oberschenkel der Nutzer zu verbinden und so sensorisches Feedback zu erm?glichen. In einer Studie in Zusammenarbeit mit der Universit?t Belgrad testeten die Wissenschaftler dieses Neurofeedback-System an zwei freiwilligen Prothesentr?gern, denen ein Bein oberhalb des Knies amputiert worden ist.

?Unsere Machbarkeitsstudie zeigt, wie vorteilhaft es f¨¹r die Gesundheit von Beinamputierten ist, eine Prothese zu haben, die mit neuronalen Implantaten arbeitet, um das sensorische Feedback wiederherzustellen?, sagt Stanisa Raspopovic, Professor am Institut f¨¹r Robotik und Intelligente Systeme der ETH Z¨¹rich. Er und seine Kollegen berichten dar¨¹ber in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift externe Seite Nature Medicine.

K¨¹nstliche Signale in nat¨¹rliche umwandeln

In der Studie verwendeten die Wissenschaftler eine kommerziell erh?ltliche Prothese mit einem elektronischen Hightech-Kniegelenk. An der Sohle des Prothesenfusses befestigten sie Ber¨¹hrungssensoren. W?hrend der dreimonatigen Studiendauer platzierten Chirurgen winzige Elektroden im Oberschenkel der Probanden und verbanden sie mit den dort vorhandenen Beinnerven.

?Das Ziel der Operation war es, Elektroden an den richtigen Stellen im Inneren des Nervs anzubringen, um die Wiederherstellung von lebensechtem sensorischem Feedback zu erm?glichen und die Stabilit?t der Elektroden zu gew?hrleisten?, sagt Marko Bumbasirevic, Professor und orthop?discher Mikrochirurg am Klinischen Zentrum von Serbien in Belgrad, der f¨¹r das Implantieren der Elektrode verantwortlich war. Entwickelt wurden die Elektroden von Forschenden der Universit?t Freiburg i.Br., die Prothesen kamen von der Prothesenfirma ?ssur, die beide aktiv am Projekt beteiligt waren.

Das Forschungsteam entwickelte Algorithmen, um die Informationen des Tastsensors an der Fusssohle sowie der Bewegungssensoren im elektronischen Kniegelenk in Stromimpulse ¨C die Sprache des Nervensystems ¨C zu ¨¹bersetzen. Die Elektroden leiteten diese Pulse an den Nerv weiter, und die Natur k¨¹mmerte sich um den Rest: die Nervensignale werden ans Gehirn weitergeleitet, die Tr?ger konnten dadurch die Prothese wahrnehmen und ihren Gang entsprechend anpassen. Maschine und K?rper wurden so zu einer Einheit.

Geringerer Kraftaufwand beim Gehen

Im Rahmen der Studie absolvierten die Probanden eine Reihe von Tests, abwechselnd mit und ohne Neurofeedback. Die Ergebnisse machten deutlich, wie vorteilhaft das Feedback war: Das Gehen mit Neurofeedback war f¨¹r die Probanden k?rperlich viel weniger anstrengend, was sich in einem deutlich reduzierten Sauerstoffverbrauch zeigte. Auch mental war das Gehen mit Neurofeedback weniger anstrengend, wie die Forschende mit Messungen der Gehirnaktivit?t zeigten. Die Probanden mussten sich nicht so sehr auf das Gehen konzentrieren und konnten Ihre Aufmerksamkeit stattdessen auf andere Aufgaben richten.

In einem schwierigen Test mussten die Probanden ¨¹ber Sand gehen. Das Feedback erm?glichte ihnen, deutlich schneller zu gehen. In Umfragen gaben die Probanden an, dass das Neurofeedback ihr Vertrauen in die Prothese stark erh?hte.

Weniger Phantomschmerzen

Die Schnittstelle zum Nervensystem kann auch dazu genutzt werden, die Nerven unabh?ngig von der Prothese zu stimulieren. Bevor sie mit der Studie begannen, klagten beide Studienteilnehmer ¨¹ber Phantomschmerzen. Savo Panic, einer der Probanden, wachte nachts oft wegen Phantomschmerzen auf. ?Der Zeh, den ich nicht habe, tat mir weh ¨C mein grosser Zeh, mein Fuss, meine Ferse, mein Kn?chel und meine Wade, alles schmerzte, und dabei habe ich das alles gar nicht mehr?, sagt er. Im Rahmen eines einmonatigen Neurostimulation-Therapieprogramms gelang es den Wissenschaftlern, diesen Schmerz beim einen Probanden deutlich zu reduzieren, bei Panic, verschwand der Schmerz sogar vollst?ndig. ?Seitdem ich mit der Neurostimulation begonnen habe, habe ich keine Phantomschmerzen mehr?, sagt dieser.

Diese Ergebnisse stimmen die Forschenden optimistisch. Sie weisen jedoch darauf hin, dass eine l?ngere Untersuchung, in der eine gr?ssere Zahl von Probanden das System im Alltag testet, n?tig ist, um zuverl?ssigere Schlussfolgerungen ziehen zu k?nnen. F¨¹r die zeitlich begrenzte klinische Studie wurden die Signale der Prothese ¨¹ber Kabel durch die Haut zu den Elektroden im Oberschenkel geleitet. Das bedeutete, dass sich die Versuchsteilnehmer regelm?ssig einer medizinischen Untersuchung unterziehen mussten. Um dies zu vermeiden, wollen die Wissenschaftler ein vollst?ndig implantierbares System entwickeln. ?Bei Sensars planen wir die Entwicklung eines drahtlosen Neurostimulationsger?tes, das wie ein Herzschrittmacher vollst?ndig in den Patienten implantiert und auf den Markt gebracht werden kann?, sagt Francesco Petrini, CEO von Sensars.

An dem Projekt waren neben der ETH Z¨¹rich, den Universit?ten Belgrad und Freiburg i.Br., Sensars und ?ssur auch Forschende der EPFL, der Scuola Superiore Sant¡¯Anna in Pisa, der Universit?t Montpellier und der Firma mBrainTrain beteiligt.