Eine künstliche Hand mit echten Gefühlen

In den letzten Jahren gab es bemerkenswerte mechanische Fortschritte bei prothetischen Gliedmaßen, einschließlich der Neuverdrahtung von Nervenfasern zur Steuerung komplexer mechanischer Arme (siehe Eine lebensechte Armprothese) und Gehirnschnittstellen, die eine komplizierte Gedankenkontrolle ermöglichen (siehe Gehirn hilft Tetraplegikern, Roboterarme mit ihren Gedanken zu bewegen ). Aber trotz all dieser Fortschritte können Prothesen keine sensorischen Informationen an den Träger zurücksenden, was es ihm erschwert, Aufgaben wie das Aufheben von Gegenständen zu erledigen, ohne sie zu quetschen oder ihren Halt zu verlieren.

Touch-Oberfläche : Eine neuartige Nervenschnittstelle gibt dem Träger Igor Spetic an 20 Stellen seiner Prothesenhand ein Tastgefühl.

Jetzt haben Forscher des Cleveland Veterans Affairs Medical Center und der Case Western Reserve University eine neue Art von Schnittstelle entwickelt, die einen Tastsinn von 20 Punkten auf einer Handprothese ausgeben kann. Es tut dies, indem es Nervenbündel – sogenannte periphere Nerven – in den Armen der Patienten direkt stimuliert; zwei Personen wurden bisher mit der Schnittstelle ausgestattet. Darüber hinaus funktionieren die Implantate noch nach 18 Monaten, ein bemerkenswerter Meilenstein, da die Leistung elektrischer Schnittstellen zum Nervengewebe allmählich nachlassen kann.

ZU Video Das vor einigen Wochen produzierte Bild zeigt einen 48-jährigen Mann aus Ohio, der vor drei Jahren bei einem Unfall seine rechte Hand verlor, wie er mit seiner Handprothese die Stiele von Kirschen aufhob und entfernte, ohne sie durch übermäßiges Quetschen zu zerquetschen. Dies war der neuen Technologie zu verdanken, mit der Kraftdetektoren an den Fingern seiner Handprothese Berührungsinformationen direkt an drei erbsengroße Nervenschnittstellen übermitteln konnten, die ihm chirurgisch in seinen rechten Unterarm implantiert wurden. Er steuert die Hand über eine Standardtechnologie namens myoelektrische Schnittstelle, die Signale von den Muskeln in seinem Unterarm verwendet, um die Bewegungen der Handprothese zu steuern.

Die Arbeit eröffnet die Möglichkeit, dass Gliedmaßen eines Tages dem Menschen ein dauerhaftes und differenziertes Feedback geben könnten, sagt Dustin Tyler , der Case Western-Professor hinter dem Projekt.

Lee Miller , ein Professor für Neurowissenschaften an der Northwestern University, der nicht an der Forschung beteiligt war, sagt, dass die Leistung bemerkenswert erscheint. Dies ist die größte Anzahl von ausgeprägten Berührungsempfindungen, die durch periphere Nervenstimulation erzeugt werden, die ich kenne, und auch die 18-monatige Stabilität ist unübertroffen, sagt Miller. Ein Papier über die Arbeit wird vorbereitet, sagt Tyler.

Nervenzentrum : Dieses sieben Millimeter lange Gerät, genannt Manschettenelektrode, kann Gefühle von Sensoren an einer Hand- oder Fingerprothese übermitteln, wenn es an einem peripheren Nerv im Armstumpf befestigt ist.

Das Herzstück der Technologie ist eine kundenspezifische Version einer Schnittstelle, die als Manschettenelektrode bekannt ist. Drei Nervenbündel im Arm – radial, median und ulnar – werden in den 7-Millimeter-Manschetten gehalten, die sie sanft abflachen und die normalerweise runden Bündel in eine rechteckigere Konfiguration bringen, um die Oberfläche zu maximieren.

Dann liefern insgesamt 20 Elektroden an den drei Manschetten elektrische Signale an Nervenfasern, die Axone genannt werden, von außerhalb einer schützenden Hülle aus lebenden Zellen, die diese Nervenfasern umgeben. Dieser Ansatz unterscheidet sich von anderen experimentellen Technologien, die die Hülle durchdringen, um die Axone direkt zu berühren. Es wird angenommen, dass diese hüllendurchdringenden Schnittstellen zumindest anfangs eine höhere Auflösung bieten, jedoch langfristig ein potenziell höheres Risiko einer Signalverschlechterung oder Nervenschädigung aufweisen. Und so wurden sie länger als ein paar Wochen nicht getestet.

Die Testperson, die Kirschen schnappt, ist Igor Spetic aus Madison, Ohio. Er verlor seine Hand bei seiner Arbeit, als sie in einem Gesenkschmiedehammer zerquetscht wurde, während er eine Aluminiumarmatur für ein Düsentriebwerk herstellte. Jetzt hat er zwei kleine Kabelbäume, die aus einem Anschluss in seinem rechten Oberarm herausragen. Im Labor verbindet Tyler diese Gurte mit einem Gerät, das die elektrischen Signale erzeugt, die an die Manschette gesendet werden. Dieses Gerät wiederum erhält Auslöseinformationen von Sensoren an seiner Prothesenhand.

Sein sensorisches Feedback war bisher nur im Labor zu spüren, aber Spetic zeigt sich erstaunt über seinen einzigartigen Versuch. Es ist wirklich aufregend zu sehen, was sie tun, und ich hoffe, dass es anderen Menschen helfen kann, sagt Spetic. Ich weiß, dass Wissenschaft lange dauert. Wenn ich nichts mit nach Hause bekomme, der nächste aber schon, ist das alles besser.

Die Forscher platzieren die Implantate sorgfältig, um festzustellen, wo Spetic Kräfte auf seine fehlende Gliedmaße wahrnimmt. Einmal installiert, kann Spetic Empfindungen an mehreren Fingern sowie am Rücken und an der Seite seiner fehlenden Hand erkennen, die den Eingaben der Prothese entsprechen. Sobald das Implantat eingesetzt ist, scheinen die Empfindungen immer an den gleichen Stellen zu entstehen und sich nicht zu verschieben, sagt Spetic.

Tyler kann die an die Manschette gesendeten elektrischen Signale abstimmen, um eine Vielzahl von Empfindungen zu erzeugen. Spetic sagt, dass es sich manchmal anfühlt, als würde er ein Kugellager berühren, manchmal wie über Wattebällchen, Sandpapier oder Haare streichen.

Tyler sagt, dass die Empfindungen von Spetic-Berichten natürlicher und nützlicher sind als das vage summende Gefühl, das frühere experimentelle Technologien oft erzeugt hatten. Dies bedeutet, dass es möglich sein kann, eine Empfindung so anzupassen, dass der Patient beispielsweise das Gefühl hat, eine Stiftspitze zu berühren. Andere Gruppen und Firmen arbeiten an besseren Kraftdetektoren, die an einer Handprothese befestigt werden können und solche nuancierten Signale erzeugen.

[Die] Forschung ist wirklich auf dem neuesten Stand und weltweit führend, wenn es darum geht, Amputierten direktes sensorisches Feedback zu geben, sagt Jack Judy, Direktor des Nanowissenschaftliches Institut für Medizin- und Ingenieurtechnik an der University of Florida in Gainesville. Judy war kürzlich als Programmmanagerin für die Defense Advanced Research Projects Agency tätig, wo er eine Programm die darauf abzielten, die Leistung und Zuverlässigkeit von neuronalen Schnittstellen zu verbessern, die zur Steuerung von Gliedmaßen für Soldatenamputierte verwendet werden. In den Kriegen im Irak und in Afghanistan erlitten mindestens 1.715 Soldaten Amputationen.

Andere bestehende Technologien liefern sensorische Eingaben direkt an die Nerven. Cochlea-Implantate zum Beispiel stimulieren den Hörnerv, um das Hörvermögen wiederherzustellen, und Technologien zur Stimulation des Vagusnervs – der vom Hirnstamm bis zur Brust und zum Bauch verläuft – können zur Behandlung von Epilepsie und sogar Depressionen verwendet werden. Wenn es jedoch darum geht, die Nerven zu stimulieren, um beim Menschen einen effektiven Tastsinn zu erzeugen, seien weitaus weniger Fortschritte erzielt worden, sagt Judy.

Es gibt andere Ansätze für sensorisches Feedback, einschließlich Bemühungen, dies direkt durch Gehirnimplantate zu tun (siehe Prothetik ein Gefühl für die Berührung geben). Gehirnimplantate gelten jedoch aufgrund der erhöhten Sicherheitsbedenken beim Öffnen des Schädels als weiter entfernt. Die Arbeit von Case Western befindet sich in einem Pilotversuch, und Tyler sagt, dass ein Gerät, wenn alles gut läuft, in fünf bis zehn Jahren auf dem Markt sein könnte.

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