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

R. Rupp, S. Franz, M. Berberich, M. Rohm, M. Schneiders, B. Hessing, N. Weidner, G. R. Müller-Putz
Eine Tetraplegie infolge einer Querschnittlähmung stellt durch den beidseitigen Verlust der Arm- und Handfunktion eine erhebliche Einschränkung der Lebensqualität dar. Mittels nichtinvasiver Greifneuroprothesen basierend auf Funktioneller Elektrostimulation (FES) erhaltener Nerven kann ein Schlüssel- und Zylindergriff generiert und damit die Schädigung des Rückenmarks umgangen werden. Die Individualisierung sowohl der Stimulationskomponenten als auch der Benutzerschnittstelle ist für eine erfolgreiche Alltagsanwendung zwingend notwendig. Verbesserungen in der Handhabung und Stabilität der Griffmuster sind durch die Verwendung von Array-Elektroden zu erwarten. Eine intuitivere Steuerung könnte durch die Einbeziehung von Gehirnsignalen über ein Brain-Computer-Interface erzielt werden.

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

Anzei­ge

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

Zita­ti­on
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