Ingenieure entwickeln bionischen Arm, der natürliche Verhaltensweisen bei Patienten wiederherstellt

Forscher am Cleveland Clinic haben einen neuen bionischen Arm entwickelt, der natürliche Verhaltensweisen bei Patienten mit Oberlimb-Amputationen wiederherstellt. Die Technologie ist die erste ihrer Art, und die Forschung wurde in Science Robotics veröffentlicht.

Das internationale Forscherteam kombinierte drei wichtige Funktionen im bionischen System: intuitive Motorsteuerung, Berührung und Greifkinästhesie. Letztere ist das Gefühl, die Hand zu öffnen und zu schließen.

Das Team, das von der Cleveland Clinic geleitet wurde, umfasste auch Forscher von der University of Alberta und der University of New Brunswick.

Paul Marasco, Ph.D, ist Leiter der Forschung und Associate Professor am Department of Biomedical Engineering des Cleveland Clinic Lerner Research Institute.

“Wir haben ein Standard-Prothese mit diesem komplexen bionischen System modifiziert, das es den Trägern ermöglicht, ihren Prothesen-Arm intuitiver zu bewegen und gleichzeitig Berührungs- und Bewegungsempfindungen zu spüren”, sagte Dr. Marasco. “Diese Ergebnisse sind ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur vollständigen Wiederherstellung der natürlichen Armfunktion bei Menschen mit Amputationen.”

Das bionische System

Das neu entwickelte System ist das erste, das alle drei sensorischen und motorischen Funktionen gleichzeitig in einer neuralen Maschinen-Schnittstelle in einem Prothesen-Arm testet. Die neurale Maschinen-Schnittstelle kann mit den Nerven des Trägers verbunden werden und ermöglicht es den Patienten, Nervenimpulse vom Gehirn zum Prothesen-Arm zu senden. Sie können auch physische Informationen aus der Umgebung empfangen, die über ihre Nerven an ihr Gehirn gesendet werden können.

Der künstliche Arm hat eine bidirektionale Rückmeldung und Steuerung, was es den Trägern ermöglicht, bestimmte Aufgaben auf demselben Niveau wie nicht-behinderte Personen auszuführen.

Dr. Marasco leitet das Laboratory for Bionic Integration.

“Vielleicht waren wir am meisten begeistert, dass sie Urteile fällten, Entscheidungen trafen und ihre Fehler korrigierten, wie eine Person ohne Amputation”, sagte Dr. Marasco. “Mit dem neuen bionischen Arm verhielten sich die Menschen, als hätten sie eine natürliche Hand. Normalerweise sind diese Gehirnverhaltensweisen sehr unterschiedlich zwischen Menschen mit und ohne Oberlimb-Prothesen.”

Testen des bionischen Arms

Der bionische Arm wurde an zwei Studienteilnehmern mit Oberlimb-Amputationen getestet. Die Teilnehmer hatten zuvor eine gezielte sensorische und motorische Reinnervation durchgeführt, die die amputierten Nerven zu verbleibender Haut und Muskeln umleiten, um eine neurale Maschinen-Schnittstelle zu etablieren.

Die Forscher müssen nun die Arbeit ausbauen, da die Studiengröße so klein war.

Die Teilnehmer trugen den fortschrittlichen Prothesen-Arm, während sie Aufgaben ausführten, die grundlegende Verhaltensweisen widerspiegelten oder die Hand- und Armfunktion erforderten. Die Forscher bewerteten dann die Leistung mit Hilfe von fortschrittlichen Bewertungstools und fanden heraus, dass die Gehirn- und Verhaltensstrategien der Teilnehmer sich änderten. Sie waren dann auf demselben Niveau wie die einer Person ohne Amputation.

Die Teilnehmer konnten Verhaltensweisen ausführen, ohne den Prothesen-Arm beobachten zu müssen, und konnten ihre Fehler effektiver korrigieren.

“In den letzten zehn oder zwanzig Jahren haben Fortschritte in der Prothetik den Trägern geholfen, bessere Funktionalität zu erlangen und das tägliche Leben selbstständig zu meistern”, sagte Dr. Marasco. “Erstmals können Menschen mit Oberlimb-Amputationen wieder ‘denken’ wie eine gesunde Person, was eine neue Ebene der nahtlosen Reintegration in das tägliche Leben bietet.”