Ich (be)greife, also bin ich – Mög­lich­kei­ten und Her­aus­for­de­run­gen nicht­in­va­si­ver Greif­n­eu­ro­pro­the­sen für Hoch-Querschnittgelähmte

Ein­lei­tung

In Deutsch­land erlei­den jähr­lich zwi­schen 1.500 und 1.800 Men­schen eine Quer­schnitt­läh­mung infol­ge eines Verkehrs‑, Arbeits- oder Frei­zeit­un­falls, aber auch zuneh­mend auf­grund nicht­trau­ma­ti­scher Ursa­chen wie Ent­zün­dun­gen, Rücken­mark­sin­fark­ten oder Tumo­ren. Spe­zi­ell der Ver­lust der Greif­funk­ti­on bei­der Hän­de – etwa die Hälf­te der geschätzt 60.000 bis 80.000 Quer­schnitt­ge­lähm­ten in Deutsch­land sind Men­schen mit einer Tetra­ple­gie – wird von den Betrof­fe­nen als beson­ders behin­dernd emp­fun­den und resul­tiert in einem dra­ma­ti­schen Ver­lust an per­sön­li­cher Lebens­qua­li­tät ^{1 2}. Bis heu­te exis­tiert kei­ne ursäch­li­che The­ra­pie der Quer­schnitt­läh­mung, sodass vor allem kom­pen­sa­to­ri­sche Reha­bi­li­ta­ti­ons­maß­nah­men zur Erhö­hung der Selbst­stän­dig­keit ein­ge­setzt wer­den. Für die Wie­der­her­stel­lung der Greif­funk­ti­on kön­nen noch unter Will­kür­kon­trol­le befind­li­che Mus­keln ope­ra­tiv trans­fe­riert wer­den ³. Ste­hen aller­dings nicht genü­gend kräf­ti­ge, noch will­kür­lich kon­trol­lier­ba­re Mus­keln an Hand und Arm für Trans­fer­ope­ra­tio­nen zur Ver­fü­gung, stel­len Greif­n­eu­ro­pro­the­sen auf Basis der Funk­tio­nel­len Elek­tro­sti­mu­la­ti­on (FES) die ein­zi­ge Mög­lich­keit zur Ver­bes­se­rung einer voll­stän­dig aus­ge­fal­le­nen Hand- und Fin­ger­funk­ti­on dar. Bei der FES wer­den mit­tels kur­zer, nie­der­fre­quen­ter Strom­im­pul­se Akti­ons­po­ten­zia­le auf Ner­ven gene­riert, deren Sum­men­ak­ti­vi­tät wie­der­um teta­ni­sche Mus­kel­kon­trak­tio­nen erzeugt, die dann für die Aus­füh­rung koor­di­nier­ter Greif­be­we­gun­gen genutzt wer­den kön­nen ⁴

Sti­mu­la­ti­ons­tech­nik nicht­in­va­si­ver Greifneuroprothesen

Die aus tech­ni­scher Sicht ein­fachs­te Imple­men­tie­rung einer Greif­n­eu­ro­pro­the­se basiert auf Ober­flä­chen­elek­tro­den, die über eine selbst­kle­ben­de, leit­fä­hi­ge Gel­schicht ver­fü­gen und auf den Unter­arm auf­ge­klebt wer­den. Nicht­in­va­si­ve Sys­te­me haben gegen­über inva­si­ven Greif­n­eu­ro­pro­the­sen den Vor­teil, dass sie Nut­zern bereits in der Früh­pha­se der Reha­bi­li­ta­ti­on ange­bo­ten wer­den kön­nen, da sie an den sich ver­än­dern­den neu­ro­lo­gi­schen Sta­tus ange­passt wer­den kön­nen. Nicht­in­va­si­ve Neu­ro­pro­the­sen sind erheb­lich preis­wer­ter als implan­tier­ba­re Sys­te­me ⁵ und benö­ti­gen kei­ne risi­ko­be­haf­te­te Ope­ra­ti­on für die Erst­ver­sor­gung oder im Fal­le des Aus­falls von Kom­po­nen­ten, vor allem der Kabel. Aller­dings sind nicht­in­va­si­ve Neu­ro­pro­the­sen kom­pli­zier­ter in der Hand­ha­bung, und die damit erzeug­ten Greif­mus­ter sind anfäl­lig gegen­über Gelenk­be­we­gun­gen und den damit asso­zi­ier­ten Weichteilverschiebungen.

Aktu­ell sind kei­ne kom­mer­zi­el­len nicht­in­va­si­ven Greif­n­eu­ro­pro­the­sen erhält­lich, mit­tels derer eine all­tags­taug­li­che Wie­der­her­stel­lung der Greif­funk­ti­on erreicht wer­den kann. Das kom­mer­zi­ell erhält­li­che Sys­tem NESS-H200 (Bio­ness Inc., Valen­cia, CA, USA; frü­her auch unter dem Namen „Hand­mas­ter“ geführt) ist haupt­säch­lich für Trai­nings­zwe­cke und nicht für die Aus­füh­rung von All­tags­auf­ga­ben kon­zi­piert ⁶.

Das grund­sätz­li­che Ziel einer Neu­ro­pro­the­se ist die Wie­der­her­stel­lung eines Schlüs­sel- und Zylin­der­griffs. Wäh­rend mit dem Schlüs­sel­griff fla­che Gegen­stän­de wie eine Gabel oder ein Stift zwi­schen Dau­men und gebeug­ten Zei­ge­fin­gern gegrif­fen wer­den kön­nen, ist der Zylin­der­griff mit dem Dau­men in Abduk­ti­ons­stel­lung zum Grei­fen gro­ßer Gegen­stän­de wie eines Gla­ses geeig­net. Die­se Griff­mus­ter kön­nen mit­tels maxi­mal sie­ben Elek­tro­den auf dem Unter­arm erzeugt wer­den – ohne die Not­wen­dig­keit einer Plat­zie­rung von sich leicht lösen­den Elek­tro­den auf der Han­din­nen­flä­che bzw. des The­nars. Der Schlüs­sel­griff kann mit­tels Sti­mu­la­ti­on der Fin­ger- (M. ext. digi­torum com­mu­nis, Elek­tro­den­paar [EP] 1 in Abb. 1A) und Dau­men­ex­ten­so­ren (M. ext. pol­li­cis longus, EP 2 in Abb. 1A) für die Hand­öff­nung, der Fin­ger­flex­o­ren (M. flex. digi­torum super­fi­ci­a­lis, M. flex. digi­torum pro­fun­dus) für den Fin­ger­schluss und des Dau­men­flex­ors (M. flex. pol­li­cis longus) zum eigent­li­chen Grei­fen erzeugt wer­den. Bei vie­len Nut­zern kann eine Sti­mu­la­ti­on der Fin­ger- und Dau­men­flex­o­ren über das­sel­be Elek­tro­den­paar erreicht wer­den (EP 3 in Abb. 1A). Durch die Ver­wen­dung eines spe­zi­el­len Elektroden­aktivierungsmusters kann mit­tels Co-Kon­trak­ti­on der Dau­men­flex­o­ren und ‑exten­so­ren ein Greif­zu­stand erreicht wer­den, bei dem die Fin­ger nahe­zu voll­stän­dig flek­tiert sind und der Dau­men sich noch in einer aus­rei­chend exten­dier­ten Stel­lung zum Umschlie­ßen des Gegen­stan­des befin­det. Für die Erzeu­gung des Zylin­der­griffs wird ein Ast des Ner­vus media­nus, der den M. oppo­nens pol­li­cis inner­viert, selek­tiv über ein Elek­tro­den­paar auf der media­len Sei­te des Unter­arms ange­steu­ert (EP 4 in Abb. 1A). Auf­grund des beeng­ten Raums bie­tet sich die Ver­wen­dung einer gemein­sa­men Elek­tro­de für die Sti­mu­la­ti­on der Dau­men­ex­ten­so­ren und des Dau­men­ab­duk­tors an (EP 2 und EP 4 in Abb. 1A).

Ein offen­sicht­li­cher Nach­teil der Ober­flä­chen­elek­tro­den besteht in der Schwie­rig­keit, die sie­ben Elek­tro­den täg­lich neu kor­rekt zu plat­zie­ren ⁷. Um den Nut­zern und ihren Pfle­ge­per­so­nen das umständ­li­che Anbrin­gen der Elek­tro­den zu erleich­tern, kommt eine aus Neo­pren gefer­tig­te Unter­ar­mor­the­se zum Ein­satz. Nach dem ers­ten Ein­rich­ten der Elek­tro­den­po­si­tio­nen wird ein Stück selbst­kle­ben­des Klett­band auf die kom­mer­zi­ell erhält­li­chen Kle­be­elek­tro­den auf­ge­klebt (Abb. 1A) und anschlie­ßend der an die indi­vi­du­el­le Ana­to­mie des Nut­zers ange­pass­te Hand­schuh ange­zo­gen. Bei die­sem Anzieh­vor­gang wer­den die Elek­tro­den an den kor­rek­ten Stel­len im Hand­schuh fixiert und kön­nen so täg­lich neu ein­fach, schnell und effi­zi­ent über den Hand­schuh plat­ziert wer­den (Abb. 1B). Der Hand­schuh wiegt ca. 100 g und belas­tet daher den Unter­arm nicht rele­vant. Er hat ein Loch für den Dau­men und eine Mar­kie­rung am pro­xi­ma­len Ende, um eine kor­rek­te Plat­zie­rung des gesam­ten Hand­schuhs zu errei­chen. Um einen kräf­ti­gen Griff zu erzie­len, muss sich das Hand­ge­lenk in Neu­tral­stel­lung befin­den. Oft­mals ist aber der M. ext. car­pi radia­lis bei den Nut­zern dener­viert und daher nicht über die FES akti­vier­bar, sodass das Hand­ge­lenk mit­tels einer in den Hand­schuh pal­mar­sei­tig ein­ge­las­se­nen Alu­mi­ni­um­schie­ne in Neu­tral­stel­lung gehal­ten wer­den kann (Abb. 1C).

Indi­vi­du­el­le Anpas­sung aller Kom­po­nen­ten zwin­gend notwendig

Neben der indi­vi­du­el­len Fest­le­gung der Elek­tro­den­po­si­tio­nen und der per­so­na­li­sier­ten Anfer­ti­gung des Elek­tro­den­hand­schuhs muss auch die Benut­zer­schnitt­stel­le an die indi­vi­du­el­len Wün­sche und Gege­ben­hei­ten des Nut­zers ange­passt wer­den. Die Per­so­na­li­sie­rung aller Kom­po­nen­ten der Greif­n­eu­ro­pro­the­se ist zwar auf­wen­dig, aber von ent­schei­den­der Bedeu­tung für die spä­te­re Nut­zer­ak­zep­tanz. Beim aktu­el­len Stand kom­men Greif­n­eu­ro­pro­the­sen eigent­lich nur für Nut­zer mit noch erhal­te­ner Schul­ter­funk­ti­on und der Fähig­keit zur Plat­zie­rung der Hand im Raum in Fra­ge. Daher besteht die Stan­dard­be­nut­zer­schnitt­stel­le in einem extern auf­ge­kleb­ten Schulterpositions­sensor (Abb. 2A), sodass der Nut­zer sei­nen Griff selbst­stän­dig über Bewe­gun­gen der gegen­über­lie­gen­den Schul­ter steu­ern kann. Je nach Benut­zer­prä­fe­renz wird der Grad der Hand­schlie­ßun­g/-öff­nung über Vor-/ Zurück­be­we­gun­gen oder Auf-/Ab­wärts­be­we­gun­gen der Schul­ter beein­flusst. Eine Umschal­tung zwi­schen Schlüs­se­lund Zylin­der­griff oder das Ein-/Aus­schal­ten erfol­gen durch unter­schied­lich lan­gen Druck auf das End­stück des Schul­ter­sen­sors. Da die­se unna­tür­li­che Art der Steue­rung von den Nut­zern erst erlernt wer­den muss, soll­ten – wann immer mög­lich – noch erhal­te­ne, direkt an der Hand­funk­ti­on betei­lig­te Bewe­gun­gen für eine Kon­trol­le her­an­ge­zo­gen wer­den. Bei erhal­te­ner Dor­sal­ex­ten­si­on im Hand­ge­lenk bie­tet sich anstatt der Ver­wen­dung eines Schul­ter­po­si­ti­ons­sen­sors ein Bie­ge­sen­sor über dem Hand­ge­lenk an (Abb. 2B). Der durch die­sen Sen­sor gemes­se­ne Grad der Hand­he­bung steu­ert dann in intui­ti­ver Wei­se den Dau­men- und Fin­ger­schluss; ein Druck auf des­sen Ober­flä­che schal­tet zwi­schen den Grif­fen um. Auch eine EMG-Steue­rung über schwa­che, aber in die eigent­li­che Greif­funk­ti­on ein­ge­bun­de­ne Mus­ku­la­tur ist mög­lich, aller­dings mit einer gegen­über mecha­ni­schen Bewe­gungs­sen­so­ren gerin­ge­ren Robust­heit und Sta­bi­li­tät ⁸.

Ers­te Anwen­dungs­er­geb­nis­se der per­so­na­li­sier­ten Neuroprothese

Seit Sep­tem­ber 2013 wird eine pro­spek­ti­ve kli­ni­sche Stu­die durch­ge­führt, mit der stan­dar­di­siert Daten hin­sicht­lich Effek­ti­vi­tät und Prak­ti­ka­bi­li­tät der nicht­in­va­si­ven Greif­n­eu­ro­pro­the­se erho­ben wer­den. Seit Stu­di­en­be­ginn wur­den 14 mög­li­che Neu­ro­pro­the­sen­nut­zer gescre­ent. Zum jet­zi­gen Zeit­punkt (Febru­ar 2016) konn­ten bis­her sie­ben Teil­neh­mer in die Stu­die ein­ge­schlos­sen wer­den, wovon drei Teil­neh­mer die Stu­die abge­schlos­sen haben. Die Daten des ers­ten Teil­neh­mers erwie­sen sich als unbrauch­bar, da bei abschlie­ßen­der Betrach­tung die Vor­aus­set­zun­gen (aus­rei­chen­des akti­ves Bewe­gungs­aus­maß der Schul­ter und des Ober­ar­mes) für einen Gebrauch der Greif­n­eu­ro­pro­the­se nicht erfüllt waren. Sie­ben Stu­di­en­be­wer­ber konn­ten auf­grund von Anzei­chen star­ker Dener­va­ti­on nicht in die Stu­die auf­ge­nom­men wer­den. Die Dener­va­ti­on von Mus­keln tritt als Fol­ge der Rücken­mark­schä­di­gung auf, bei der nicht nur die wei­ße Sub­stanz, in der sich die auf- und abstei­gen­den Rücken­marks­bah­nen befin­den, son­dern auch die graue Sub­stanz geschä­digt wird, sodass als Fol­ge die moto­ri­schen Neu­ro­ne und deren peri­phe­re, die Arm­mus­keln ver­sor­gen­de Axo­ne zugrun­de gehen. Durch den Weg­fall der peri­phe­ren axo­na­len Ner­ven­struk­tu­ren kön­nen die dener­vier­ten Mus­kel­an­tei­le nicht über die Strom­impulse der Neu­ro­pro­the­se zu einer aus­rei­chend kraft­vol­len Kon­trak­ti­on sti­mu­liert werden.

Das Alter der bis­he­ri­gen Stu­di­en­be­wer­ber vari­iert zwi­schen 18 und 53 Jah­ren, das durch­schnitt­li­che Alter beträgt 37 Jah­re. In drei Fäl­len liegt der Tetra­ple­gie eine nicht­trau­ma­ti­sche Ursa­che zugrun­de. Die übri­gen elf Ursa­chen umfas­sen Unfäl­le im Stra­ßen­ver­kehr (5), Sturz (1), Bade­un­fall (4) und Unfall mit dem Moun­tain­bike (1). Das neu­ro­lo­gi­sche Niveau beträgt zwi­schen C3 und C6, wobei sich bei der Mehr­heit (5) das neu­ro­lo­gi­sche Niveau bei C4 befin­det. Bei drei Teil­neh­mern liegt der Zeit­raum seit der Ver­let­zung bei unter zwei Jah­ren, bei fünf Teil­neh­mern reicht das Ereig­nis mehr als fünf Jah­re zurück.

Alle Teil­neh­mer, die in die Stu­die ein­ge­schlos­sen wer­den konn­ten, absol­vier­ten ein bis zu zwölf­wö­chi­ges häus­li­ches Elek­tro­sti­mu­la­ti­ons­trai­ning, um die atro­phier­te und schnell ermü­den­de Mus­ku­la­tur auf­zu­bau­en und eine höhe­re Ermü­dungs­re­sis­tenz zu erzie­len. Danach wur­de die Neu­ro­pro­the­se ange­passt, und die Stu­di­en­teil­neh­mer konn­ten die­se 16 Wochen in ihrem All­tags­le­ben nutzen.

Bei allen sie­ben ein­ge­schlos­se­nen Teil­neh­mern konn­ten die bei­den Griff­mus­ter des Schlüs­sel- und Zylin­der­griffs erfolg­reich gene­riert wer­den, wobei eine mit einem Dyna­mo­me­ter gemes­se­ne Maxi­mal­kraft von 0,83 kg für den Schlüs­sel­griff und von 1,5 kg für den Zylin­der­griff erreicht wer­den konn­te. Die­se Wer­te bewe­gen sich im Rah­men der mit inva­si­ven Sys­te­men erreich­ten Griff­stär­ken ⁹. Selbst der nied­rigs­te erreich­te Wert von 0,33 kg (Schlüs­sel­griff) und 0,20 kg (Zylin­der­griff) war aus­rei­chend, um funk­ti­ons­fä­hi­ge Grif­fe zu erzeu­gen, und kor­re­lier­te nicht mit der Qua­li­tät des Grif­fes selbst, wie die Ergeb­nis­se der Funk­ti­ons­tests zeigen.

Der funk­tio­nel­le Gewinn durch die Neu­ro­pro­the­se wur­de mit dem Gras­pand-Release-Test (GRT) ^{10 11} und dem Van-Lies­hout-Test Short Ver­si­on (VLT-SV) ¹² quan­ti­fi­ziert (Abb. 3), die am Ende der Trai­nings­zeit, nach 8 Wochen und nach 16 Wochen Anwen­dung jeweils sowohl mit als auch ohne Neu­ro­pro­the­se durch­ge­führt wurden.

Der GRT wur­de ent­wi­ckelt, um Funk­ti­ons­ver­bes­se­run­gen nach Implan­ta­ti­on einer Greif­n­eu­ro­pro­the­se bei Men­schen mit einer Tetra­ple­gie auf Höhe des 5. oder 6. Hals­mark­seg­ments zu quan­ti­fi­zie­ren. Wäh­rend des Tests wer­den die Neu­ro­pro­the­sen­nut­zer auf­ge­for­dert, Gegen­stän­de ver­schie­de­nen Gewichts und unter­schied­li­cher Form (Ple­xi­glas­zy­lin­der, Brief­be­schwe­rer, Video­kas­set­te, simu­lier­tes Ein­ste­chen einer Gabel in eine gekoch­te Kar­tof­fel, Holz­stäb­chen, Holz­wür­fel) so oft wie mög­lich in 2 Minu­ten zu grei­fen, zu trans­fe­rie­ren und auf einer leicht erhöh­ten Abla­ge wie­der abzu­le­gen. Der VLT dient der Erfas­sung der gesam­ten Arm- und Hand­funk­ti­on. Die Kurz­form des VLT-SV besteht aus 10 Ein­zel­tests, bei denen in stan­dar­di­sier­ter Wei­se die Fähig­keit zum Arm­aus­stre­cken, zur Armex­ten­si­on gegen die Schwer­kraft, zum Dau­men­schluss, zum kräf­ti­gen Fin­ger­schluss, zum Hal­ten eines Stif­tes, zum Anzün­den eines Streich­hol­zes, zum Öff­nen einer Fla­sche mit Kron­kor­ken mit­tels Fla­schen­öff­ner und zum Ein­schen­ken von Was­ser in ein Glas aus einem 1‑Li­ter-Was­ser­krug ein­ge­stuft wird.

Im GRT konn­ten alle Teil­neh­mer bereits ohne Neu­ro­pro­the­se erfolg­reich leich­te Objek­te wie Wür­fel trans­fe­rie­ren, jedoch vari­ier­te die Anzahl der in 2 Minu­ten trans­fe­rier­ten Objek­te zwi­schen den Teil­neh­mern erheb­lich: Das Maxi­mum von 76 erreich­te ein Teil­neh­mer, der eine Funk­ti­ons­hand (pas­si­ver Fin­ger- und Dau­men­schluss auf­grund kräf­tig erhal­te­ner Hand­ge­lenks­exten­si­on) auf­wies, der kleins­te Wert lag bei 3 bei einem Teil­neh­mer ohne Hand- und Fin­ger­funk­ti­on. Wäh­rend zwei Teil­neh­mer in der Lage waren, Holz­stäb­chen ohne Neu­ro­pro­the­se zu trans­fe­rie­ren, gelang der Trans­fer eines 250 g schwe­ren Brief­be­schwe­rers nur einem Teil­neh­mer. Bei Aus­füh­rung des Tests mit der Neu­ro­pro­the­se konn­ten alle Teil­neh­mer sich beim Trans­fe­rie­ren schwe­rer bzw. grö­ße­rer Objek­te wie des Zylin­ders, des Brief­be­schwe­rers, der Video­kas­set­te oder auch beim Gabel-Test ver­bes­sern. So konn­te ein Teil­neh­mer, der nor­ma­ler­wei­se ledig­lich die leich­ten Wür­fel grei­fen und trans­fe­rie­ren konn­te, mit Hil­fe der Neu­ro­pro­the­se vier wei­te­re Auf­ga­ben (Stäb­chen, Zylin­der, Gabel-Test, Video­kas­set­ten) bewäl­ti­gen. Ein wei­te­rer Teil­neh­mer schaff­te es, aus­ge­hend von drei aus­führ­ba­ren Auf­ga­ben ohne Neu­ro­pro­the­se (Wür­fel, Stäb­chen, Brief­be­schwe­rer) alle sechs Auf­ga­ben mit Neu­ro­pro­the­se aus­zu­füh­ren; er ver­bes­ser­te sich erheb­lich bei der Wür­fel- (von 6 auf 70 trans­fe­rier­te Objek­te) und bei der Brief­be­schwe­rerAuf­ga­be (von 20 auf 48). Alle drei Teil­neh­mer erreich­ten im VLT-SV eine erheb­lich höhe­re Gesamt­punkt­zahl bei Nut­zung der Neu­ro­pro­the­se (Abb. 4). Am Ende der 16-wöchi­gen Anwen­dung ver­bes­ser­ten sich Teil­neh­mer 2 und 3 in neun von ins­ge­samt zehn Auf­ga­ben, Teil­neh­mer 4 in fünf.

Am meis­ten pro­fi­tier­ten die Nut­zer bei Auf­ga­ben, die auf eine adäqua­te Dau­men­ab­duk­ti­on ange­wie­sen sind, wie zum Bei­spiel das Grei­fen, Anhe­ben und siche­re Abstel­len von Dosen oder Zylin­dern. Eben­so ermög­lich­te die Neu­ro­pro­the­se allen Teil­neh­mern, einen Stift selbst­stän­dig in die Hand zu neh­men und ihren Namen zu schrei­ben. Es konn­te bei allen Teil­neh­mern genü­gend Greif­kraft gene­riert wer­den, um einen Krug Was­ser anzu­he­ben und sich ein Glas Was­ser ein­zu­schen­ken (Abb. 3).

Direk­te Gehirn­steue­rung einer Greif­n­eu­ro­pro­the­se – das euro­päi­sche More-Grasp-Projekt

Bereits beim heu­ti­gen Stand kann Men­schen mit zer­vi­ka­lem Quer­schnitt­syn­drom und erhal­te­ner Schul­ter­funk­ti­on und Ellen­bo­gen­beu­gung, aber feh­len­der Fin­ger- und ggf. Hand­funk­ti­on die Wie­der­her­stel­lung eines Schlüs­sel- und Zylin­der­grif­fes mit­tels einer nicht­in­va­si­ven Greif­n­eu­ro­pro­the­se ermög­licht wer­den. Ein inte­gra­ler Bestand­teil der Sys­tem­aus­le­gung ist die Mög­lich­keit zur Per­so­na­li­sie­rung des Elek­tro­den­hand­schuhs, der Elek­tro­den­ak­ti­vie­rungs­mus­ter und der Benut­zer­schnitt­stel­le an die noch vor­han­de­nen Rest­funk­tio­nen und Prio­ri­tä­ten des Nutzers.

Bei allem Erreich­ten bleibt den­noch eine Rei­he nicht gelös­ter Pro­ble­me: Allen vor­an berei­tet das all­täg­li­che Anzie­hen und kor­rek­te Plat­zie­ren des Elek­tro­den­hand­schuhs den Nut­zern Schwie­rig­kei­ten. Bei Rota­ti­ons­be­we­gun­gen des Hand­ge­lenks ver­schie­ben sich Elek­tro­den, und es kann zu uner­wünsch­ten Fin­ger­stel­lun­gen bzw. Kraft­ver­lust auf­grund des geän­der­ten Strom­flus­ses im Kör­per kom­men, ins­be­son­de­re bei der Dau­men­funk­ti­on. Da eine Quer­schnitt­läh­mung neben den moto­ri­schen Ein­schrän­kun­gen auch zu einem Sen­si­bi­li­täts­ver­lust in der Hand führt, spü­ren Betrof­fe­ne nicht, wie stark sie zugrei­fen. Dar­über hin­aus bestehen Ver­bes­se­rungs­mög­lich­kei­ten von Sei­ten der Bedie­nung, die nur zum Teil intui­tiv ist und dem Nut­zer stän­dig eine hohe Auf­merk­sam­keit abverlangt.

Mit dem im März 2015 begon­ne­nen More­Grasp-Pro­jekt (www.moregrasp. eu) ver­sucht ein euro­päi­sches Kon­sor­ti­um aus drei Uni­ver­si­täts- und zwei Fir­men­part­nern unter Lei­tung der Tech­ni­schen Uni­ver­si­tät Graz die­se Pro­ble­me in den Griff zu bekom­men (Abb. 5). In More­Grasp wird ein Elek­tro­den-Array ent­wi­ckelt, bei dem eine Viel­zahl von Elek­tro­den in den Hand­schuh inte­griert wird, die situa­ti­ons­an­ge­passt elek­tro­nisch zu grö­ße­ren Elek­tro­den­ver­bün­den zusammen­geschaltet wer­den kön­nen ^{13 14}. Damit hof­fen die Wis­sen­schaft­ler, Elek­tro­den­fehl­plat­zie­run­gen beim Anle­gen und Elek­tro­den­ver­schie­bun­gen wäh­rend der Anwen­dung dyna­misch kom­pen­sie­ren zu kön­nen. Mit­tels auf All­tags­ge­gen­stän­de auf­kleb­ba­rer Foli­en­kraft­sen­so­ren, deren Daten von einem Low-Ener­gy-Blue­tooth-Modul (LE-Blue­tooth) an eine Kon­troll­sta­ti­on über­tra­gen wer­den, kön­nen Greif­kräf­te regis­triert und für eine semi­au­to­no­me Griffsteue­rung ver­wen­det wer­den. Durch Zuord­nung ein­deu­ti­ger IDs zu den LE-Blue­tooth-Ein­hei­ten kann eine auto­ma­ti­sche Umschal­tung auf das für die­sen Gegen­stand vor­de­fi­nier­te, am bes­ten geeig­ne­te Griff­mus­ter erfol­gen, sobald sich die Hand des Nut­zers dem ent­spre­chen­den Gegen­stand nähert. Durch zusätz­li­che Elek­tro­den in Kör­per­re­gio­nen mit erhal­te­ner Sen­si­bi­li­tät kön­nen dem Nut­zer Rück­mel­dun­gen über die auf­ge­brach­ten Greif­kräf­te ver­mit­telt wer­den. Aus der Pro­the­tik ist bekannt, dass die­se sen­si­ble Rück­mel­dung einen wesent­li­chen Fak­tor hin­sicht­lich einer erhöh­ten Nut­zer­ak­zep­tanz darstellt.

Um einem Benut­zer eine intui­ti­ve­re Steue­rung der Hand zu ermög­li­chen, sol­len Gehirn­si­gna­le zur Erken­nung der Benut­zer­inten­ti­on in das Steue­rungs­kon­zept mit­ein­be­zo­gen wer­den [15, 16]. Dies geschieht mit­tels soge­nann­ter Hybrid-Brain-Com­pu­ter-Inter­faces, bei denen ein auf Bewe­gungs­vor­stel­lun­gen basie­ren­des Brain-Com­pu­ter-Inter­face (BCI) mit tra­di­tio­nel­len Benut­zer­schnitt­stel­len kom­bi­niert wird. Damit soll auf Basis der Modu­la­ti­on des Elek­tro­en­ze­pha­logramms (EEG) über den moto­ri­schen Gehirn­area­len erkannt wer­den, ob ein Benut­zer z. B. die Signa­le eines Schul­ter­joy­sticks zur Steue­rung des Grads der Hand­schlie­ßung oder der Hand­ge­lenks­ro­ta­ti­on ver­wen­den will. Um eine hohe All­tags­taug­lich­keit zu errei­chen, wer­den an die Benut­zer­ana­to­mie ange­pass­te EEG-Kap­pen ent­wi­ckelt, die auf Elek­tro­den ohne Leit­gel basie­ren und ihre Daten mit­tels eines Blue­tooth-Funk­in­ter­face an eine Kon­troll­ein­heit über­mit­teln. Mit der Ein­füh­rung von Gel-losen Elek­tro­den kann die Vor­be­rei­tungs­zeit zur Nut­zung des BCI-Sys­tems auf ein Mini­mum redu­ziert und eine der Haupt­schwie­rig­kei­ten aktu­el­ler BCIs für All­tags­an­wen­dun­gen besei­tigt wer­den. Im Rah­men von More­Grasp sol­len ers­te Hin­wei­se gewon­nen wer­den, inwie­weit eine Deko­die­rung unter­schied­li­cher Greif- bzw. Arm­be­we­gun­gen mit­tels BCIs in Echt­zeit mög­lich ist. Im Erfolgs­fall könn­te damit erst­ma­lig die bila­te­ra­le Wie­der­her­stel­lung der Greif­funk­ti­on bei­der Hän­de umge­setzt und damit ein wei­te­rer Schritt in Rich­tung Nor­ma­li­tät für die Betrof­fe­nen voll­zo­gen werden.

Für die Autoren:
Dr.-Ing. Rüdi­ger Rupp
Uni­ver­si­täts­kli­ni­kum Heidelberg
Kli­nik für Paraplegiologie
Expe­ri­men­tel­le Neurorehabilitation
Schlier­ba­cher Land­stra­ße 200a
69118 Hei­del­berg
Ruediger.Rupp@med.uni-heidelberg.de

Begut­ach­te­ter Beitrag/reviewed paper

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