Aus interprofessioneller Perspektive beleuchten Aszmann, Leiter des Zentrums für Extremitätenrekonstruktion und Rehabilitation sowie stellvertretender Leiter der Universitätsklinik für Plastische und Wiederherstellende Chirurgie an der Medizinischen Universität Wien, und die Physiotherapeutin Dr. scient. med. Agnes Sturma das Thema. Im Interview berichtet Aszmann über seine aktuellen Forschungen, die Arbeit im interdisziplinären Team und welchen Einfluss die neue europäische Medizinprodukterichtlinie (Medical Device Regulation, MDR) hat.
OT: Nach der pandemiebedingten Verlagerung ins Virtuelle findet die OTWorld 2022 wieder live in Leipzig statt. Was dürfen die Besucherinnen und Besucher von Ihrem Keynotevortrag zu TMR und Osseointegration erwarten?
Oskar C. Aszmann: Ich bin auf 30 Kongressen im Jahr zu Gast. Die OTWorld sticht dabei heraus, weil Forschung, Praxis und Industrie zusammenkommen und die Zuhörerschaft sehr breit gefächert ist – angefangen bei der Orthopädie-Technik bis zum Bioingenieurwesen. Gerade unsere Forschungsthematik ist in dieser Hinsicht interessant, weil sie sich sehr stark im Spannungsfeld zwischen Wirtschaftsorientierung, Forschung sowie der praktischen Anwendung bewegt. Meine Kollegin Dr. Sturma und ich werden unsere Keynote deshalb sehr praxisorientiert anlegen. Der Schwerpunkt liegt auf hohen Amputationen der oberen Extremität. Im Zentrum steht dabei die Frage: Wie kommt unsere Technologie tatsächlich im Versorgungsalltag an, welchen Nutzen bringt unsere Forschung den Patientinnen und Patienten konkret? Da sich ja viele Menschen an ihren Händen infolge von Arbeitsunfällen verletzen oder sie gar verlieren, geht es darum, ihnen auf bestmögliche Weise wieder in den Arbeitsalltag zurückzuhelfen. Wie unterstützt unsere Forschung zum Beispiel den Waldarbeiter nach einer Armamputation dabei, wieder in seinem Arbeitsumfeld anzukommen und einen Baum abzusägen?
Neurologische Landschaft neu erfinden
OT: Ihre zusammen mit Dr. Sturma gehaltene Keynote ist das erste derartige „Tandem-Format“ auf der OTWorld. Wie spiegeln sich unterschiedliche Blickwinkel im gemeinsamen Vortrag wider?
Aszmann: Dr. Sturma arbeitet als Physiotherapeutin mit mir im Team. Sie hat sich auf sehr hohem Niveau der Rehabilitation nach Amputation der oberen Extremität gewidmet. Ich werde vor allem über die chirurgischen Aspekte sowie den technologischen Fortschritt in unserem Forschungsfeld sprechen, über die Verbindung von TMR und Osseointegration. Frau Dr. Sturma wird anschaulich darlegen, wie man Patientinnen und Patienten mithilfe dieser Anwendungen rehabilitiert. Wenn ein Nerventransfer vorgenommen wird, müssen die Betroffenen neurologisch an diese neue Realität herangeführt werden. Wie können sie mit einem Arm umgehen, den sie ja gar nicht mehr haben? Sie müssen die eigene neurologische Landschaft neu kennenlernen bzw. neu finden – und dazu lernen, wie sich die Prothese steuern lässt. Das ist die Herausforderung und gar nicht trivial. Dafür braucht es viel Erfahrung und Tricks, über die Frau Sturma berichtet. Denn eine perfekt angepasste Hightech-Prothese allein verbessert die Lebensqualität nicht, wenn die Betroffenen damit nicht zurechtkommen oder nie gelernt haben, das Gerät im Alltag richtig zu verwenden. Die funktionellen Vorteile bionischer Gliedmaßen entfalten sich erst in Verbindung mit einem Rehabilitationsprogramm, das den Umgang damit trainiert, und können nicht getrennt davon bewertet werden.
Bionik – Kluft zwischen Potenzial und Realität
OT: An welchen Projekten forschen Sie derzeit?
Aszmann: Wir arbeiten an leistungsfähigeren Varianten prothetischer Gliedmaßen, die für eine breitere klinische Anwendung geeignet sind. In erster Linie geht es darum, dass die Benutzer:innen ihre Prothese als authentischen, biologischen Körperteil wahrnehmen. Denn dies ist bislang noch nicht gelungen – trotz aller Fortschritte hinsichtlich Anwendungsumfang, Aktionsmöglichkeiten und Bedienung. Zwar können beispielsweise gesunde Personen, die mit einer Elektromyografie Schnittstelle ausgestattet sind, bereits nach einem begrenzten Training einen Roboterarm mit einigen Freiheitsgraden steuern – dies geschieht jedoch nicht intuitiv und unwillkürlich, sondern erfordert kognitives Training.
OT: Wo liegen aktuell die Schwierigkeiten?
Aszmann: Vor allem die Verbindung zwischen robotischen Gliedern mit hoher Leistungsfähigkeit und dem Körper – also die Mensch-Maschine-Schnittstelle – muss weit intuitiver und besser werden. Die bidirektionale Übertragung motorischer und sensorischer Informationen zwischen Prothese und Benutzer sowie umgekehrt ist noch sehr eingeschränkt, die Übertragungsrate gering. Heute verfügbare Roboterarme und ‑hände können schon viel mehr, als mit aktuellen Mensch Maschine-Schnittstellen überhaupt umsetzbar ist.
OT: Was meinen Sie konkret?
Aszmann: Die Fähigkeiten robotischer Gliedmaßen gehen weit über die bisher aufgrund der Schnittstellenlimitationen vorherrschende willkürliche Steuerung hinaus. Sie übertreffen ihre natürlichen Vorbilder unter anderem mit mehr Freiheitsgraden in der Bewegung des Handgelenks, sie können die äußere Umgebung mit höherer Genauigkeit messen als der Mensch mit seinen biologischen Gliedmaßen. Aber die Informationsübertragung zwischen Prothesen und Benutzer:innen ist noch begrenzt. Die Kluft zwischen dem Potenzial der revolutionären bionischen Technik und der klinischen Realität ist beträchtlich. So blieb die klinisch verfügbare Technologie zum Steuern von Prothesen der oberen Gliedmaßen in den letzten 50 Jahren nahezu unverändert. Immer noch lassen sich höchstens zwei Freiheitsgrade nacheinander auf unnatürliche Weise steuern. Sowohl für die obere als auch die untere Extremität gibt es fast kein klinisches Prothesensystem, welches Empfindungen überträgt. Nur das Sehen sowie die durch Kompressionskräfte am Schaft entstehenden Eindrücke stehen den Nutzer:innen im Allgemeinen als sensorischer Input zur Verfügung. Deshalb empfinden sie die Systeme nicht als Körperteile, sondern lediglich als Werkzeuge. Eines der grundlegenden Probleme liegt in der mechanischen Befestigung der Prothese am Skelettsystem, so verhindern Schäfte die effektive Integration in das Körperschema und verursachen häufig Beschwerden.
OT: Welche Lösungswege sehen Sie?
Aszmann: Wir entwickeln derzeit eine neue Generation hochleistungsfähiger bionischer Gliedmaßen, bei denen die bionischen Geräte bzw. Prothesen mittels der Osseointegration direkt am Skelett befestigt sind. Die neuronalen Signale werden durch gezielte Muskelreinnervation verstärkt. Dabei werden Nerven, die ihre natürlichen Zielmuskeln verloren haben, auf andere Muskeln umgeleitet. Permanent implantierte Muskelsensoren, moderne Algorithmen sowie sensorisches Feedback mithilfe von Nervenimplantaten, also direktes Anbringen von Elektroden an periphere Nerven (= Nerven außerhalb des Gehirns und Rückenmarks), verbessern die Prothesensteuerung und lösen die mit nicht-invasiven Elektroden auftretenden Entschlüsselungs- bzw. Übertragungsprobleme. Alle diese Technologien wurden klinisch am Menschen getestet und sind bedeutende Durchbrüche. Durch ihr Zusammenspiel wollen wir einen umfassenderen klinischen Einsatz bionischer Gliedmaßen ermöglichen.
OT: Welche speziellen Herausforderungen gibt es dabei?
Aszmann: Das alles ist sehr komplex, wurde nur teilweise mit Benutzer:innen getestet – oder nur mit einer sehr kleinen Anzahl. Großangelegte Kohortenstudien mit langfristiger Nachbeobachtung fehlen. Die Implementierung funktioniert nicht ohne interdisziplinäre Teams aus Klinik‑, Ingenieur- und Rehabilitationsexperten, die im herkömmlichen Gesundheitssystem oft noch Seltenheitswert besitzen. Versicherungen zahlen die bahnbrechenden Technologien im Allgemeinen (zunächst) nicht. Ich gehe davon aus, dass uns in Zukunft eine Optimierung und Standardisierung gelingt – und damit verbunden der Einzug in die allgemeine Gesundheitsversorgung. Doch es gibt nach wie vor Einschränkungen beim Einsatz der einzelnen Techniken – so setzt die Osseointegration ein möglichst intaktes Immunsystem und eine ausreichend solide Skelettstruktur voraus, die Stoßbelastung kann unter Umständen Schmerzen verursachen. Zudem ergab beispielsweise eine Umfrage unter ehemaligen Angehörigen der US-Streitkräfte, dass lediglich 28 Prozent der Personen mit einseitiger Gliedmaßenamputation und 13 Prozent nach beidseitiger Amputation der oberen Gliedmaßen eine Osseointegration in Betracht ziehen – anstelle einer herkömmlichen, Schaft fixierten Prothese bzw. eines Verzichts auf eine Prothese.
MDR als Herausforderung für neue Technologien
OT: Für welche Patient:innen ist die Kombination aus Osseointegration und TMR derzeit geeignet?
Aszmann: Hauptindikation sind zurzeit Patient:innen mit transhumeraler Amputation, also der Amputation im Oberarmbereich, weil es hier schwierig und mühsam ist, eine Prothese anzupassen. Die Weichteile am Oberarm sind instabil und eine präzise Führung ist nicht möglich. Viele Patient:innen kommen aus der Landwirtschaft, die brauchen zwei stabile Arme und eine Prothesenhand, die zuverlässig und gut funktioniert. Da geht es weniger um eine Vielzahl möglicher Signale, sondern um Verlässlichkeit. Weniger Sinn haben diese Systeme aktuell bei einer transradialen Operation, also einer Amputation im Unterarmbereich.
OT: Wohin geht die Entwicklung?
Aszmann: Der größte Vorteil der Osseointegration – der Wegfall des Schafts – ist zugleich die größte Herausforderung: Wie bekommen wir den Signalübertritt hin? Wie bekomme ich die Signale zur Nervenstimulation umgelenkt, die sonst von den transkutanen Elektroden ausgehen, die im Schaft liegen (transkutan = durch die Haut hindurch)? Gerade laufen die Tierversuche zu einem Projekt, das wir gemeinsam mit Unternehmen aus Deutschland und den USA durchführen und bei dem wir die Signale über intramuskuläre Sensoren möglichst am Ort des Geschehens abgreifen. Die Signale werden dann drahtlos in die Prothese geschickt. Die Übertragung erfolgt in beide Richtungen, denn es werden ebenfalls Signale aus der Prothese abgenommen. Hier geht es darum, die Signale bestmöglich aufzunehmen, ohne Hindernisse wie Haut oder Fettschicht bzw. ohne unbekannte Belastungen, die an der Grenzfläche auftreten können wie Schwitzen oder Relativbewegungen. Einige der Großtierversuche an Schafen sind bereits abgeschlossen, der Proof of Concept funktioniert, das Vorhaben ist also durchführbar.
OT: Wie groß ist die Hürde, das Konzept und die gewonnenen Erkenntnisse in den Humanbereich zu überführen?
Aszmann: Die größte Problematik sehe ich jetzt in der Medical Device Regulation (MDR). Dadurch wurden die Regularien für integrierbare Systeme in der Europäischen Union verschärft. Zwar arbeiten wir bereits mit Systemen bzw. Materialien wie Keramik, Silikon und Titan, die lange bei Implantationen verwendet werden. Trotzdem sind für die neuen aktiven Implantate spezielle regulative Prüfungen nötig. Das wird nun die größte Herausforderung darstellen – und nicht der Proof of Concept, nicht die Gewinnung einer ausreichenden Zahl an Patient:innen bzw. die Anträge bei der Ethikkommission. Aber wir sind dran und unser Ziel ist, in den nächsten fünf Jahren derartige Systeme beim Menschen anzuwenden. Erste Erfolge in dieser Hinsicht gab es in der Vergangenheit. So ist vor zwei Jahren eine Arbeit in „Science Robotics“ von uns erschienen über die erste Implantation von Sensoren, die drahtlos Signale in die Prothese gesendet haben.
OT: Die MDR macht Ihnen die Arbeit nun schwerer?
Aszmann: Ja, aber andererseits zahlen sich die Regulierungen auch aus – nämlich im Hinblick auf die Markteinführung humaner Anwendungen mit CE-Zertifizierung. Denn wenn die Produkte die MDR-Regularien hinter sich haben, erleichtert dies einen späteren Markteintritt. Schließlich hat die MDR ja Sinn, weil in den letzten Jahren Produkte aufgefallen sind, die implantiert wurden und dann nicht funktioniert haben. Darunter waren ebenfalls orthopädische Implantate in der Wirbelsäulenchirurgie. Das ist bitter für Patient:innen, deshalb habe ich Verständnis für die Einführung der MDR.
OT: Von welchen Zeiträumen gehen Sie aus, bis hochleistungsfähige bionische Gliedmaßen, die Osseointegration plus TMR kombinieren und dabei auf fortschrittliche Sensoren, Implantate und neuartige Algorithmen setzen, auf ganzer Breite im Markt ankommen?
Aszmann: Ich gehe davon aus, dass wir das in den nächsten zwei Jahrzehnten sehen werden. Bei der intuitiven Prothesensteuerung wird das schneller gehen als beim sensorischen Feedback. Besonders profitieren werden zunächst vor allem Patient:innen mit Amputationen mehrerer Extremitäten. Wir sind auf dem Weg zu einem echten Gliedmaßenersatz.
Immer interdisziplinär
OT: Die Keynote zu TMR und Osseointegration gibt einen kleinen Einblick in die interdisziplinäre Arbeit in Ihrem Team. Wie viele Professionen insgesamt arbeiten regelmäßig zusammen?
Aszmann: Fünf Fachleute gehören außer mir zum Kernteam: ein Assistenzarzt aus der Klinik, zwei Physiotherapeut:innen, eine klinische Psychologin sowie ein Orthopädietechniker. Wir haben eine eigene Sprechstunde gegründet und treffen uns jeden Montag. Jeder Patientin und jedem Patienten widmen wir uns 30 Minuten – das ist in der Klinikroutine sonst nicht möglich. Maximal zehn Patient:innen bestellen wir pro Sprechstundentag. Die psychologische Begleitung ist ebenso wichtig wie die Betreuung durch die anderen Professionen. Nicht alle Patien:innen sind traumatisiert, aber wir haben immer wieder Fälle, die psychologische Unterstützung brauchen, weil zum Beispiel eine elektive Amputation ins Haus steht. Je nach Erfordernis werden weitere Spezialist:innen zugeschaltet. Kürzlich lag der Schwerpunkt auf Patient:innen mit Spastik, dabei kümmern wir uns um Patient:innen mit Extremitätenlähmungen nach einem Schlaganfall und da war der Chef der Universitätsklinik für Neurologie mit im Team. Bei diesen Patien:innen, die durch den Schlaganfall einen Teil ihrer neurologischen Landschaft verloren haben, verbinden bzw. verlegen wir durch chirurgische Eingriffe die Nervenbahnen neu. Diese kognitiven Nerventransfers sind aufwendig und es sind Patient:innen, die man mit viel Liebe behandeln muss. Viele Orthopädie-Technik Unternehmen haben das Potenzial dieses spannenden Themas erkannt und entwickeln Systeme, die im Reha-Prozess individualisiert eingesetzt werden können.
OT: Wie viele Patient:innen betreuen Sie in der Sprechstunde pro Jahr?
Aszmann: Rund 100, ein Drittel bis die Hälfte kommt nicht aus Österreich.
Ohne Freude am Beruf geht es nicht
OT: Welche Voraussetzungen müssen Orthopädietechniker in solchen Teams mitbringen?
Aszmann: Zuallererst Interesse. Am wichtigsten sind Freude am Beruf und am Umgang mit Patient:innen. Dann habe ich immer ein offenes Ohr. Alles andere kann man lernen. In Bezug auf TMR haben wir in Wien ein exzellentes Programm und ausreichend Personal, um Teaching zu ermöglichen. Hier kann man viel lernen. Wir haben seit langem eine Kooperation mit Ottobock, die Firma schickt ihre Entwickler:innen zu Schwerpunkttagen an unsere Klinik. In Deutschland gibt es ebenfalls ein paar Leute, die sich damit befassen. Osseointegration wiederum wird sicher in den nächsten Jahren ein „Hot Topic“ sein und es werden bestimmt noch mehr Systeme auf den Markt kommen. Nur wenige orthopädietechnische Betriebe auf dem deutschen Markt haben bisher eine Zertifizierung. Deshalb empfehle ich dem Nachwuchs, zu Zertifizierungsveranstaltungen zu gehen, sich fortzubilden.
Die Fragen stellte Cathrin Günzel.
Prof. Oskar C. Aszmann beschäftigt sich seit über 15 Jahren intensiv mit der Target Muscle Reinnervation (TMR). Bereits in den 1990er-Jahren erlernte er an der Johns Hopkins University in Baltimore, Maryland, das Handwerk der peripheren Nervenchirurgie sowie die Grundlagen der peripheren Nervenregeneration. Seit 2006 arbeitet Aszmann eng mit der Firma Ottobock zusammen, um die Möglichkeiten und Grenzen der bionischen Rekonstruktion und Rehabilitation von Patient:innen mit eingeschränkter Extremitätenfunktion auszuloten. Entwickelt wurden spezielle Operationstechniken der neuromuskulären Rekonstruktion in Kombination mit komplexen mechatronischen Geräten. Aszmanns Forschung konzentriert sich auf alle Aspekte der rekonstruktiven Chirurgie. Für innovative Konzepte zur Versorgung von im Krieg verwundeten Soldaten mit komplexen Extremitätenverletzungen wurde er zweimal von der Royal Society of Medicine, London, ausgezeichnet. Zudem erhielt Aszmann zahlreiche nationale und internationale Preise, unter anderem den Theodor-Billroth-Preis, den Hans Anderl Award, den Houska Award für Exzellenz in Public-Private-Partnership sowie den Christian-Doppler-Preis für Forschung und Innovation. Aszmann ist im Vorstand mehrerer nationaler und internationaler wissenschaftlicher Gesellschaften tätig und wurde in das Editorial Board mehrerer internationaler Zeitschriften berufen.
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