Connecting Mind and Machine
Wenn man den Gebrauch einer Gliedmaße verliert, können selbst die einfachsten täglichen Aufgaben zu einer Herausforderung werden. Hightech-Geräte können helfen, die Unabhängigkeit wiederherzustellen. Neue Technologien machen es sogar möglich, den Geist mit einer künstlichen Gliedmaße zu verbinden. Diese künstlichen Gliedmaßen werden als bionische Prothesen bezeichnet – Geräte, die ein Körperteil ersetzen.
„Um einen Teil der verlorenen Funktion wiederzuerlangen, braucht man eine Art Hilfsmittel oder Technologie, die entweder die Genesung fördert oder die Fähigkeiten der Anatomie wiederherstellt, die jetzt fehlen“, sagt Dr. Nick Langhals, der die von den NIH geförderte Forschung im Bereich der Prothesentechnik leitet.
Diese schnell voranschreitende Forschung zielt darauf ab, das Leben der Menschen zu verbessern, indem sowohl die Bewegung als auch das Gefühl wiederhergestellt werden.
Prothesensteuerung
Traditionelle Prothesen verwenden ein körpereigenes Gurtzeug zur Steuerung einer Handvorrichtung. Diese sind einfach zu bedienen. Mit einem Schulterzucken öffnet sich die Prothesenhand oder der Haken. Wenn Sie die Schulter loslassen, schließt sich die Prothese. Durch das Gefühl der Kabelspannung über Ihre Schultern wissen Sie, ob die Prothese offen oder geschlossen ist, ohne sie anzusehen.
Neuere, motorisierte Hände sind nicht so leicht zu erlernen. Um die Prothese zu schließen, müssen Sie die restlichen Muskeln in Ihrem Arm anspannen. Ein elektrischer Sensor, der über diesen Muskeln angebracht ist, erkennt die Kontraktion und weist die Hand an, sich zu schließen. Da die ursprünglichen Muskeln, mit denen die Hand gesteuert wurde, nicht mehr vorhanden sind, müssen die verbleibenden Muskeln neu trainiert werden. Das Erlernen des Öffnens und Schließens einer Handprothese auf diese Weise erfordert einige Zeit. Und man muss das Gerät immer noch beobachten, um zu wissen, was es tut.
Um die Bedienung motorisierter Hände intuitiver zu machen, entwickeln Forscher Möglichkeiten, die elektrischen Signale in Ihrem Gehirn und in den Nerven – spezielle Gewebe, die Signale zwischen Ihrem Gehirn und anderen Teilen Ihres Körpers übertragen – zu erkennen, um die Steuerung fortschrittlicher bionischer Prothesen zu unterstützen. Dies kann auf verschiedene Weise geschehen, z. B. durch das Implantieren winziger Sensoren in die Teile des Gehirns, die die Bewegung steuern, oder durch das Anbringen kleiner ElektrodenWerkzeuge, die zur Übertragung von Elektrizität zu oder von verschiedenen Körperteilen verwendet werden. an den amputierten Nerven. In beiden Fällen denken die Patienten einfach daran, ihre Hand zu bewegen, und die Computer übersetzen dies in die Bewegungen einer bionischen Handprothese.
Zwei-Wege-Kommunikation
Um das Gefühl der Ganzheitlichkeit wiederzuerlangen, muss eine Person mit einer bionischen Gliedmaße nicht nur das Gerät steuern. Er muss auch „fühlen“, was es tut. Neue bionische Geräte können Empfindungen vom Gerät zurück an das Gehirn senden. So kann eine Person mit einem bionischen Gerät das Gefühl haben, ihre eigene Gliedmaße zu benutzen.
„Das Wichtigste an unserer Forschung ist das Gefühl der Ganzheitlichkeit“, sagt Dr. Paul Marasco, Forscher für biomedizinische Technik an der Cleveland Clinic.
Eine Möglichkeit, einer Person zu helfen, ihre Handprothese zu fühlen, besteht darin, die verbleibenden sensorischen Nerven von der amputierten Hand zur Haut des Oberarms zu verlegen. Mit kleinen Robotern kann man dann auf die Haut des Oberarms drücken, wenn die Hand etwas berührt.
Marcos Team hat ein ähnliches System entwickelt, um auch das Gefühl für Bewegung wiederherzustellen. Die bionische Hand sendet Signale an ein computergesteuertes Kontrollsystem außerhalb des Körpers. Der Computer weist dann einen kleinen Roboter, der am Arm getragen wird, an, Vibrationen an den Armmuskel zu senden. Diese Vibrationen tief im Muskel erzeugen eine Illusion von Bewegung, die dem Gehirn mitteilt, wann sich die Hand schließt oder öffnet.
Marcos Team testete dieses Feedbacksystem mit mehreren Personen, die eine Handprothese trugen. Die Studienteilnehmer waren in der Lage, die bionische Hand zu bedienen und zu wissen, in welcher Position sie sich befand, genauso gut wie mit ihrer natürlichen Hand. Mit diesem Rückmeldesystem mussten sie nicht auf die bionische Hand schauen, um zu wissen, wann sie offen oder geschlossen war oder wann sie nach einem Gegenstand griff.
„Wir gaukeln ihren Gehirnen vor, dass die Prothese tatsächlich Teil ihres Körpers ist“, sagt Marasco. Dieser Fortschritt zapft direkt die Art und Weise an, wie das Gehirn Bewegungen wahrnimmt, und hilft so, die Zwei-Wege-Kommunikation zwischen Prothese und Geist zu verbessern.
Tragbare Roboter
Forschungsteams versuchen auch, Menschen zu helfen, die den Gebrauch ihrer Beine verloren haben. Durch das Tragen eines Robotergeräts, eines so genannten Exoskeletts, konnten einige Menschen mit Beinlähmung ihre Gehfähigkeit wiedererlangen.
Eine Gruppe unter der Leitung von Dr. Thomas Bulea, einem biomedizinischen Ingenieur am NIH Clinical Center, hat ein tragbares Exoskelett für Kinder mit zerebraler Lähmung entwickelt. Zerebralparese ist eine Hirnstörung, die es Kindern erschwert, aufrecht zu stehen, das Gleichgewicht zu halten und zu gehen. Das motorisierte, robotische Exoskelett verändert die Art und Weise, wie die Kinder gehen, indem es ihnen hilft, ihre Knie an wichtigen Punkten während des Gehzyklus aufzurichten. Obwohl das Exoskelett das Gehen erleichtern kann, müssen die Kinder in der Lage sein, zumindest kleine Entfernungen selbständig zurückzulegen, um es benutzen zu können.
„Das ultimative Ziel ist es, dass eine Person das Exoskelett außerhalb unseres Labors oder sogar außerhalb des klinischen Umfelds tragen kann“, erklärt Bulea. „Um das zu erreichen, braucht man ein wirklich robustes Kontrollsystem, das sicherstellt, dass sich der Roboter in allen möglichen Umgebungen richtig verhält.“
Das Team schreibt jetzt Software, damit das Robotergerät getragen werden kann, während es über Unebenheiten im Gelände und andere reale Bedingungen navigiert.
Das richtige Gerät finden
„Ich versuche, den Menschen zu vermitteln, dass es eine Menge potenzieller Hilfsmittel und Technologien gibt, die uns zur Verfügung stehen, um Menschen zu helfen, und dass sie diese erforschen und in Betracht ziehen sollten“, sagt Langhals.
Viele Arten von Prothesen befinden sich derzeit in der Entwicklung. Wenn Sie eine klinische Studie zur Erprobung einer Prothese finden möchten, können Sie auf clinicaltrials.gov, einer Datenbank mit NIH-geförderten und anderen Studien auf der ganzen Welt, danach suchen.
Wenn Sie an einer Studie teilnehmen möchten, sprechen Sie mit Ihrem Arzt über die möglichen Risiken und Vorteile. Fragen, die Sie stellen können, finden Sie in der Box Fragen Sie Ihren Arzt.
