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Modul-Titel	WP2125
Veranstaltung	PS Biomechanik
Autor	Haug, B.; Kegel, L.; Rosenkötter, M.
Bearbeitungsdauer	45 Min
Präsentationstermin	10.02.2022
Status	Abgeschlossen
Zuletzt geändert	04.02.2022

Das Bild eines Piraten auf einem Holzbein kennt wohl jeder. Captain Hook aus Peter Pan hat einen Haken als Handersatz. Forest Gump lief als Kind mit Stützen an den Beinen. Damals, so scheint es, hat man sich mit diesen Mitteln weitergeholfen, wenn es um Ersatz einzelner Gliedmaßen geht (vgl. Abb. 1).

      Abbildung 1: Pirat

Heute sieht das zum Glück anders aus und es gibt Prothesen, die es möglich machen, dank elektrischen Strömungen mit unserem Körper zusammen zu arbeiten. Um zu verstehen, wie das funktioniert, erläutern wir in diesem Wiki-Artikel, wie das Gehirn Befehle an den restlichen Körper weitergeben kann. Außerdem beschäftigen wir uns damit wie die Wissenschaft es möglich gemacht hat, Prothesen so zu entwickeln, dass wir Diese durch unsere Gedanken und Reflexe steuern können. Wir gehen außerdem der Frage nach, ob EEG (Elektro-Enzephalogramm) gesteuerte (Hand-)Prothesen die Zukunft der Prothetik sein können.

Dazu geben wir einen kurzen Überblick über die verschiedenen Messmethoden der elektrischen Ströme im menschlichen Körper. Des Weiteren stellen wir in diesem Wiki-Artikel fünf zusätzliche Methoden des Brain - Machine Interface (BMI) vor, was das genau bedeutet und wie man damit Handprothesen steuern kann. Dazu schauen wir eine Studie zur Messmethode des EEG an und geben zum Schluss einen Ausblick sowie kritische Fragestellungen zu Prothesen.

Haug, B.

Um die Prothetik zu verstehen wollen wir zunächst die Prothesen selbst noch außer Acht lassen und uns mit den Funktionen des Gehirns befassen. Im Gehirn liegen die Funktionen des Menschen, die es uns möglich machen unsere Muskeln zu kontrollieren. Verschiedene Areale im Gehirn sind für die unterschiedlichsten Reizverarbeitungen verantwortlich.

Die Areale, die für die Bewegung verantwortlich sind, wollen wir uns im Folgenden anschauen. Zunächst verschaffen wir uns einen kurzen Überblick darüber, welche physikalischen und chemischen Vorgänge nötig sind, um Reize an die Muskulatur weiterzugeben, die dann zu Kontraktionen führen. Dafür schauen wir uns als Erstes die Nervenzelle des Menschen an. In Diesen wird das sogenannte Aktionspotential von Zelle zu Zelle weitergegeben. Das wird durch einen chemischen Prozess ausgelöst. Na+ Kanäle öffnen sich, wenn ein bestimmter Wert in der Zelle erreicht wird und gibt so einen Impuls an die nächste Zelle. Wenn der Reiz groß genug ist, öffnen sich dort die Na+ Kanäle. Diese Kette geht dann solange weiter, bis das Ziel erreicht ist und ein Muskel kontrahieren kann. [13]

Zur weiteren Erklärung kann man sich auf folgender Seite einen genaueren Überblick verschaffen:

https://studyflix.de/biologie/aktionspotential-2739

Wir wollen uns aber weiter mit dem Gehirn beschäftigen. Dazu gehen wir einige Jahre zurück und schauen uns den kanadischen Neurochirurgen Wilder Penfield (1891-1976) an: „Im Zuge von Operationen am Gehirn bin ich auf einige faszinierende Erkenntnisse gestoßen. Ich muss sagen, dass es mehr Zufall als Planung war.“ (1961). Penfield hat seine Patienten nicht unter eine Vollnarkose gestellt, sondern betäubte sie nur leicht. Penfield hat dann die Schädeldecke geöffnet, um sich ein Bild davon zu machen, was operiert werden muss. Dazu hat er Platinelektroden an die verschiedenen Stellen des motorischen Cortex gehalten. Die Patient:innen haben dann verschiedene Körperteile bewegt [4]. Direkt daneben liegt der sensorische Cortex. Wenn die Elektrode diese Stelle berührte, nahmen die Patient:innen Berührungen war, etwa das streicheln der Wange.

                        Abbildung 2: Aufbau der Kortexregionen im Gehirn 

Was ist der Humunculus?

Durch die Operationen und seine Beobachtungen, konnte Penfield notieren welche Stellen im motorischen Cortex welche Bewegungen auslösten. Diese Aufschriebe lassen sich mit dem kartografieren einer Landkarte vergleichen. Aus den Aufschrieben entstand der Humunculus.

                        Abbildung 3: Humunculus des motorischen Kortex

Die Abbildung des Humunculus zeigt auf, an welchen Stellen des motorischen Cortex entsprechende Regionen im Körper angesprochen werden. Wichtig ist hierbei, dass nicht die Größe der Körperstellen entscheidend für die Größe der Reizzonen im motorischen Cortex sind, sondern die Menge an Nervenzellen. Die Hände und die Zunge haben mehr Nervenenden als die Hüfte. Auch wenn die Hüfte größer ist, nehmen Hände und Zunge mehr Platz im motorischen Cortex ein.

Motorischer Cortex und die Verbindung zu Prothese:

Hat man den Humunculus und den dazu gehörigen motorischen Cortex verstanden, kann man schon erahnen was passieren muss, um eine Prothese so anzubringen, dass das Gehirn und die Prothese, sprich der Computer, miteinander arbeiten können. Im Folgenden gehen wir näher auf den Informationsaustausch zwischen Gehirn und Prothese ein.

Haug, B.

Methoden zur Messung der Gehirnaktivität

Zur Aufzeichnung der Gehirnaktivität gibt es sowohl invasive als auch nicht-invasive Methoden. Im folgenden Abschnitt sollen diese genannt und die Vor- bzw. Nachteile der einzelnen Methoden verglichen werden. Im Anschluss daran wird das Oberflächen EEG genauer betrachtet.

Zu den invasiven Methoden zählt das Elektrokochleographie (ECoG), welches entweder Elektroden auf der Kortexoberfläche, oder penetrierende Elektroden verwendet. Diese sind in Gittern oder Streifen angeordnet und sind zwischen dem Schädelknochen und der äußeren Hirnhaut (epidural) oder zwischen der äußeren und mittleren Hirnhaut (subdural) einsetzbar. Die penetrierenden Elektroden können zudem die Aktionspotentiale einzelner Neuronen oder lokale Feldpotentiale messen [12].

Zu den nicht-invasiven Methoden gehören das Elektroenzephalogramm (EEG), das Magnetenzephalogramm (MEG), die funktionelle Magnetresonanztomografie (fMRT) und die funktionale Nahinfrarotspektroskopie (fNIRS). Das MEG misst die magnetischen Felder, die durch den elektrischen Stromfluss im Gehirn bei Aktivität entstehen. Die fNIRS und das fMRT basiert auf der Messung des Verhältnisses zwischen oxygeniertem und desoxygeniertem Hämoglobin im Blut [12]. Die folgende Tabelle stellt die Vorteile und Nachteile der verschiedenen Methoden dar.

          Tabelle 1: Messmethoden für Hirnströme

Elektroenzephalogramm (EEG)

Das EEG besteht aus mehreren Oberflächenelektroden, meist 21, die an der Kopfhaut befestigt werden. Die Elektroden werden mit einem Kontaktgel bestrichen und sind oftmals durch eine Haube aneinander befestigt, die dann aufgesetzt werden kann. Von den einzelnen Elektroden gehen Kabel ab, die mit dem Computer verbunden sind und die Spannungsdifferenzen messen [7]. Die jeweiligen Elektroden erfassen nicht die Aktivität einzelner Neuronen, sondern ein sogenanntes kortikales Feldpotential. Dabei ist der Spannungsausschlag höher, wenn viele benachbarte Neuronen synchron erregt werden. Eine Elektroenzephalografie ist demzufolge gewissermaßen eine Ableitung von Feldpotentialen im Gehirn [6]. Auf dem Computer sichtbar gemacht werden verschiedene Wellen, die bei jedem Menschen im gesunden und normalen Zustand unterschiedlich aussehen. Je nach Aktivitätszustand lassen sich allerdings verschiedene Muster unterscheiden [7].

Alpha-Wellen (8 bis 13 Hz): Ruhezustand mit geschlossenen Augen, der sogenannte Grundrhythmus

Beta-Wellen (14 bis 30 Hz): Frequenz bei geöffneten Augen und geistiger Aktivität

Gamma-Wellen (über 30 Hz): Erhöhte Aufmerksamkeit im konzentrierten Zustand

Theta-Wellen (4 bis 7 Hz): Niedrige Frequenz bei starker Müdigkeit oder beim Einschlafen

Delta-Wellen (0,5 bis 3,5 Hz): Wellenmuster während des Tiefschlafs [7]

           Abbildung 4: Wellen-Typen

Rosenkötter, M.

Beispiel 1:

Die Anatomie der Hand ist bei jedem Menschen grundsätzlich gleich und trotzdem gibt es ganz unterschiedliche Modelle von Handprothesen. Obwohl sich dieser Text mit der Forschungsfrage nach der Bedienung von Handprothesen durch ein EEG beschäftigt, gibt es leider kaum Studien bzw. praktische Beispiele. Aus diesem Grund wurde zur Erklärung eine Prothese mit myoelektrischer Steuerung ausgewählt, die im nachfolgenden Abschnitt noch näher erläutert wird. An dieser Stelle wird nur darauf hingewiesen, dass die Steuerung über zwei analoge Eingänge erfolgt, an die EMG-Elektroden angeschlossen werden. Diese messen die elektrische Spannung im Muskel. Außerdem ist die Prothese, die zuerst vorgestellt wird, für Kinder und Jugendliche entwickelt worden, weshalb sie kleiner und leichter als ein normales Modell ist. Die “VINCENTyoung” besteht aus einer multiartikulierenden Hand. Dies bedeutet, dass die Finger- und Daumengelenke unabhängig voneinander bewegt werden können. Die Prothese besteht aus einer Aluminium-Magnesium-Legierung und ist von einer Polyurethanschicht umhüllt. Die Hülle besitzt vier Kleinstmotoren, die jeweils eine Bewegungsachse der Hand antreiben [15].

        Abbildung 5: Aufbau Hand

Die normale menschliche Hand besteht aus acht Handwurzelknochen, fünf Mittelhandknochen und fünf Fingerknochen mit mehreren Gelenken. Außerdem sind all diese Knochen durch viele verschiedene Bänder und Muskeln in Hand und Unterarm verbunden. Diese Komplexität ermöglicht es uns viele feinmotorische Tätigkeiten auszuführen, aber erschwert auch den Nachbau mit technischen Mitteln [10].

Dennoch kann die genannte Handprothese schon acht der 33 Muskeln und fünf der 22 Gelenke abbilden. Die Griffweite, also wie weit sich Daumen und Zeigefinger voneinander entfernen können, beträgt 110 mm. Dies ermöglicht es den Kindern bzw. Jugendlichen Gläser gut halten zu können. Das Design der Prothese orientiert sich stark an der normalen menschlichen Hand und wurde nach ihrem Vorbild entwickelt. Sowohl die Handfläche als auch die Finger sehen einer gesunden Hand ähnlich [15].

Für weitere Informationen bezüglich der Prothesen ist das Wiki WP1313 interessant. Dieses geht näher auf die Materialien, aus denen eine Prothese besteht, und deren Eigenschaften ein.

Rosenkötter, M.

Beispiel 2:

Um eine Prothese steuern zu können, gibt es verschiedene Möglichkeiten. Die Pohlig GmbH hat eine Prothese von einem Landwirt testen lassen, der bei einem Arbeitsunfall seinen Unterarm verloren hat.

Wolfang, so heißt der Landwirt, hat eine Prothese bekommen, die an der verheilten Stelle des Armes angebracht und mit Elektroden versehen wurde. Die Elektroden nehmen Kontraktionen der anliegenden Muskeln wahr und führen dann eine Bewegung aus, die vorher auf den Impuls programmiert wurde. Wenn die Elektroden 1, 4 und 6 durch die Muskelkontraktionen der anliegenden Muskeln angesprochen werden, liest die Prothese daraus, dass es ein Greifen sein muss (vereinfachtes Beispiel; die aufgenommen Daten sind um ein Vielfaches komplexer). Durch eine App werden die Bewegungen gespeichert und die Prothese erlernt welche Bewegungen ausgeführt werden, wenn eine Kontraktion stattfindet. Die Prothese passt sich also an den Menschen an und nicht andersrum. Dadurch wird gewährleistet, dass immer feinere und schneller Bewegungen zustande kommen. Das Greifen mit der Prothese ist schnell erlernbar, weil die Erinnerung daran, wie man greift, in Wolfgangs Gehirn noch immer abgespeichert sind. Das Greifen kann sich Wolfgang noch immer vorstellen und die genauen Kontraktionen dazu abgeben. [11]

Haug, B.

                                    Abbildung 6: Armprothese

Was ist ein Brain-Machine Interface (BMI)?

Ein BMI beschreibt ein technisches Hilfsmittel, welches dafür sorgt, dass die Hirnaktivität eines Organismus in externe Signale oder Computerbefehle umgewandelt werden. Es ist somit die Schnittstelle zwischen dem Gehirn und dem Computer.

Woraus besteht ein BMI?

Zu einer BMI gehören zum einen die Signale des Gehirns. Diese können durch externe Stimuli oder durch intrinsische Modulation erfolgen. Bei beiden gilt aber, dass die Aktivitätsmuster zur weiteren Verwendung gut zu erkennen und zu unterscheiden sein müssen. Der Wille des Nutzers muss, besonders für die intrinsische Modulation, deutlich sein, um Bewegungen zu bewirken. Dies bedeutet, dass bei der zweiten Variante ein ausgiebiges Training erforderlich ist. Für unsere Frage nach der Steuerung von Prothesen durch ein EEG ist vor allem die intrinsische Modulation interessant. Dabei gibt es zwei Varianten.

Zum einen kann die kognitive Aufgabe durch sogenannte slow cortical potentials (SCP), die 100ms bis zu mehreren Sekunden dauern können [9], erfolgen. Diese erzeugen eine Depolarisation der Dendriten im Kortex und der Potentialabfall ist im EEG erkennbar. Unterschieden werden zudem positive SCPs, die einen Verbrauch von kognitiven Ressourcen darstellen und negative SCPs. Die negativen SCPs zeigen, dass kognitive Ressourcen bereitgestellt werden [9]. Die Amplitude kann über Rückmeldungen bzw. Den wahrgenommenen Erfolg willentlich gesteigert werden [12].

Die intrinsische Modulation kann auch über die sensomotorischen Rhythmen (SMR) erfolgen. Bei einer Bewegung bzw. Bei dessen Vorbereitung erfolgt eine Desynchronisation in den µ-Wellen und ß-Wellen, welches im EEG gemessen wird [12]. Nach abgeschlossener Bewegung steigen die Amplituden wieder und der Rhythmus wird synchronisiert. Diese Änderungen erfolgen auch bei reiner Bewegungsvorstellung. Dabei müssen sich die Personen eine Bewegung allerdings möglichst kinästhetisch vorstellen. Das bedeutet, dass sie eine Bewegung am besten körperlich spüren sollten, damit eine Desynchronisation möglichst gut zu erkennen ist [9].

Im weiteren Schritt müssen diese Signale auch aufgezeichnet werden. Dies erfolgt durch die verschiedenen zuvor beschriebenen Methoden wie EEG, MEG oder ECoG.

Die Signalverarbeitung findet am Computer statt. Hierbei müssen die gemessenen Aktivitätsmuster in Befehle umgewandelt werden, damit die Maschine so gesteuert werden kann. Wichtig ist an dieser Stelle, dass keine wichtigen Informationen verloren gehen. Im Gegensatz zu anderen Daten, dürfen bei dieser Auswertung nicht nur Mittelwerte gebildet werden, sondern die Daten müssen in Echtzeit ausgewertet werden. Die Basis dieser Analyse ist eine Methode des maschinellen Lernens. Die Merkmale der Hirnaktivität müssen im Lernprozess klassifiziert werden und die Daten müssen sinnvoll selektiert werden. Dadurch soll eine möglichst gute Unterscheidung von verschiedenen neuronalen Aktivierungsmustern erfolgen [12].

Anwendungsgebiete

Zu den Anwendungen gehören sowohl klinische als auch solche in der Unterhaltungsbranche oder im Sicherheitssystem. Bei den klinischen Anwendungen werden in erster Linie Patienten mit motorischen Defiziten betrachtet. Diese können z.B. nach einem Schlaganfall, Rückenmarksverletzungen oder im Zuge einer Amytrophen Lateralsklerose (ALS) Verwendung finden. Dabei sind die Ziele in erster Linie eine Wiederherstellung der Kommunikationsmöglichkeiten durch Computer- und Internetbedienung, Buchstabierer und Prothesen. Auch ein Training in der Rehabilitation nach einem Schlaganfall als therapeutische Maßnahme ist möglich [12].

In der Prothetik könnten BMI gesteuerte Neuroprothesen als Langzeitanwendung in Betracht gezogen werden. Bei der Anwendung von Handprothesen müssten mehrere Dimensionen der Bewegungsfreiheit und eine gute Signalqualität ermöglich werden. Dies stellt aktuell noch ein Problem dar, da die Signalqualität durch nicht-invasive Methoden wie dem EEG nicht ausreicht, um eine alltagstaugliche Prothese herzustellen. Die invasiven Methoden sind aktuell noch zu risikoreich und finden derzeit fast ausschließlich in Tierversuchen statt [12].

           Abbildung 7: Von Gehirn zu Prothese

Rosenkötter, M.

Die Auswahl der Studien für EEG gesteuerte Prothesen ist nicht groß. Um dennoch einen Einblick zu geben, wofür ein EEG im Zusammenhang mit Prothetik genutzt werden kann, wird im Folgenden die Studie „Design and Optimization of an EEG-Based Brain Machine Interface to an Upper Limb Exoskelleton for Stroke Survivors“ [2] vorgestellt.

Schlaganfall Patient:innen leiden häufig noch Monate später an den Folgen des Vorfalls. Oft kommt es zu neuronalen Ausfällen, die nicht selten auch motorische Einschränkungen mit sich bringen. Das sind zum Beispiel Lähmungen des Gesichts oder der Extremitäten. Um zu ihrer ursprünglichen motorischen Form zurückzugelangen, ist ein angepasstes Training sinnvoll. Wie die Studie „Robot-Assisted Thearapy for Long-Term Upper-Limb Impairment after Stroke„ [1] zeigt, ist es sinnvoll nicht nur eine normale Behandlung anzunehmen, sondern eine spezifische Bewegungs-Therapie durchzuführen. Hier kommen auch Roboter-assistiere Therapiemöglichkeiten, wie zum Beispiel ein Exoskelett (siehe auch WP1613 - Exoskelett), zum Einsatz. Die Ergebnisse nach Roboter-assistierten Therapie fallen signifikant besser aus als die Ergebnisse von Betroffenen, die kein spezifisches Training erhielten. [1]

Im Anhang befindet sich die konkrete Studie für genauere Einblicke. Hier wird sich im Weiteren wieder auf EEG gestuerete Exoskelette bezogen.

Wenn Betroffene zum Training ihrer Motorik Exoskelette nutzen, werden sie bei der Ausführung von Bewegungen unterstützt. Dabei übernehmen die Roboter aber nicht die gesamte Bewegung.

Ziel der Studie war es, ein EEG-basiertes BMI zu entwickeln, das klare Intensionen der Bewegung von anderen Signalen unterscheidet wodurch ein Exoskelett in Bewegung gebracht werden kann. Das verwendete Exoskelett MAHI Exo-II unterstützt Bewegungen, sobald es die Absicht einer solchen erkennt.

               
                      Abbildung 8: TPR und FPR des EEG gesteuerten Exoskeltettes

Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass es möglich ist die Rehabilitation durch ein EEG gesteuertes Exoskelett zu beschleunigen bzw. zu verbessern. Auch eine allgemeine Verbesserung des Systems wurde erreicht, indem das closed-loop BMI angepasst wurde. Abbildung 8 zeigt die true positive rate (TPR) und die false positive rate (FPR) des BMI’s. Hier ist zu erkennen, dass sich die Genauigkeit der Ansteuerung und Umsetzung am letzten Tag bei Proband:in 3 und 4 signifikant bis hochsignifikant verbessert hat. Dabei ist die FPR bei fast allen Proband:innen leicht gesunken. Das könnte zum einen an wiederholtem Training der getesteten Personen liegen, aber auch an der Anpassung des BMIs. Durch bewegungsbezogene kortikale Potentiale der Patient:innen die als Bewegungsentschluss aufgefasst wurden, wurde das Exoskelett bewegt. Im Experiment wurde dies sogar erreicht, ohne EEG und Exoskelett vor jeder Testung erneut kalibrieren zu müssen. [2]

Es wurde gezeigt, dass direkte Übertragungen von einem Potential zu einem Exoskelett möglich sind. Damit bleibt die Frage: Gibt es, aus Sicht der Rehabilitation, weitere Vorteile, wenn das BMI System z.B. personalisiert wird? Diser Frage wollen die Wissenschaftler:innen in einem weiteren Projekt nachgehen. [2]

Kegel, L.

Neben EEG gesteuerten Prothesen, die nur bedingt funktionieren, werden auch noch viele weitere Möglichkeiten erforscht oder sind sogar bereits in Anwendung, um Prothesen zu steuern. Hierbei geht es immer darum Informationen vom Gehirn zur Prothese zu befördern. Deshalb liegt eine direkte Verbindung, ohne Umwege durch den Körper, nahe. Dazu gibt es die Möglichkeit den Körper durch Kabel mit einem Computer zu verbinden. Jedoch ist man damit an einen Ort gebunden und hat nicht die Möglichkeit sich frei zu bewegen. Eine andere Lösung ist es daher, den Köper kabellos mit einem Computer zu verbinden. Dazu ist jedoch in den meisten Fällen eine Operation notwendig.

Laut Gottlieb-Duttweiler-Institute (GDI) gibt es sechs Möglichkeiten eine (Hand-) Prothese zu steuern [14]. Diese kann man in invasive und nicht-invasive Maßnahmen unterteilen.

Nicht-Invasive Methoden (Abbildung 9)

Kraftzugsteuerung

Hierbei wird ein Faden oder Draht an der Prothese befestigt. Dieser wird dann an der gegenüberliegenden Schulter fixiert. Wird die Schulter angespannt oder in eine bestimmte Richtung bewegt, schließt die Handprothese. Entspannt die Schulter und bewegt sich dadurch wieder in die Ausgangsstellung, öffnet sich die Prothese.

Myoelektrische Steuerung

Bei der Anspannung des Armstumpfes entstehen elektrische Spannungen auf der Haut. Ähnlich wie bei der EEG-Steuerung nehmen aufgeklebte Elektroden die Spannungen auf und lassen durch diesen „Befehl“ bestimmte Bewegungen in der Prothese durchführen. Allerdings kleben die Elektroden in diesem Fall am Arm an und sind direkt mit der Prothese verbunden. Hierdurch können jedoch nicht viele unterschiedliche Bewegungen unterschieden werden. Welche Bewegung ausgeführt werden soll, sobald elektrische Spannungen von den Elektroden erkannt werden, wird durch eine gekoppelte App über das eigene Smartphone bestimmt.

Gedankensteuerung mit EEG

„Mit dem EEG können wir auf verlässliche Art und Weise nur drei bis vier Befehle unterscheiden.“ – Prof. Dr. José del. R. Millán, Center for Neuroprothestics, EPFL Genf [14]

Zusammengefasst wird mentale Aktivität mit Hilfe der EEG-Elektroden aufgezeichnet und in elektrische Signale an die Prothese weitergeleitet. So können Prothesen „mit Gedanken“ gesteuert werden. Die Möglichkeiten sind jedoch beschränkt, da die Signale nicht stark genug sind und nur wenige Signale in Befehle umgesetzt werden können.

Invasive Methoden (Abbildung 9)

Myoelektrische Steuerung mit selektiver Nerven-Umleitung

Durch eine Operation wird der Nerv, der zur eigentlich zur Hand führt, zum Brustmuskel umgeleitet. Möchte die betroffene Person nun ihren Handmuskel kontrahieren, führt dies zu einer Kontraktion des Brustmuskels. Die Aktivität des Brustmuskels wird dann myoelektrisch gemessen und führt zu einer Bewegungsausführung der Prothese. Auch hier wird eine App genutzt, um bestimmte Signale Bewegungen zuzuweisen.

Nerven-Elektroden-Verbindung

Die zur fehlenden Hand führenden Nerven werden im Körperinneren mit Elektroden verbunden, welche die Prothese steuern. So können Bewegungen ausgeführt werden und gleichzeitig haptische Gefühle der künstlichen Hand an Nerven weitergeleitet werden, die zum Hirn führen und so einen Tastsinn ermöglichen.

Gedankensteuerung durch einen Chip im Gehirn

Für diese Steuerung wird ein Chip im Gehirn platziert. Dieser Chip misst unterschiedliche Stimuli, zum Beispiel der Gedanke an eine konkrete Bewegung oder die Absicht etwas zu tun (Zeigefinger krümmen oder Glas anheben) und leitet diese, ohne Kabel, an einen Computer außerhalb des Körpers weiter. Die Signale sind dann so codiert, dass die Prothese entsprechende Bewegungen ausführt.

Alle invasiven Methoden weisen ein erhöhtes Risiko auf und werden deshalb bisher noch erforscht.

                      Abbildung 9: Möglichkeiten der Verbindungen zwischen Hirn und Prothesen
                      

Weiterführend: Der Unternehmer Elon Musk plant, Experimente mit seinem Neuralink-Chip am Menschen durchzuführen. Zusammengefasst soll der Neuralink-Chip durch eine Operation (Same-Day-Surgery) in den Schädel eingesetzt werden. Dadurch sollen Wirbelsäulen- und Hirnprobleme gelöst werden. Das Einsetzen hat bereits bei dem Schwein „Gertrude“ funktioniert. Der Chip kann ihre Gehrin-Funktionen aufnehmen und an einen Computer senden, wo man sie dann auswerten kann. Zukünftig soll Neuralink dazu eingesetzt werden, um Krankheiten wie Depressionen oder Blindheit dauerhaft zu behandeln. Die Implantation eines zweiten Chips könnte es möglich machen, Bewegungen ausführen zu lassen. Hier stellt sich die Frage ob auch Parkinson oder andere Krankheiten die die Motorik beeinflussen, behandelt werden könnten. Für genauere Einblicke ist im Anhang ein Video verlinkt, welches das Projekt genauer beschreibt.

Kegel, L.

Tabelle 2: Etablierung unterschiedlicher Steuerungstechniken

+ Prototyp: Entwicklung im Laborstadium

++ Eingesetzt: Begrenzter Einsatz, Machbarkeitstests

+++ Technischer Durchbruch: Weitere Einsatzgebiete

++++ Etabliert: Die Technologie ist Teil unseres Lebens

Abschließend ist zu sagen, dass das EEG eine gute Methode ist um Hirnströme zu erkennen und diese teilweise auch umzuwandeln in Signale für Prothesen, Exoskelette oder andere maschinelle Hilfsmittel (siehe Tabelle 2). Jedoch ist die Signalstärke des EEGs zu schwach um damit tatsächlich Prothesen vernünftig steuern zu können. Für die Zukunft könnte zum einen an Möglichkeiten gearbeitet werden, aufgenommene Signale zu verstärken oder bessere Empfänger zu entwickeln. Die obige Tabelle zeigt jedoch, dass die Forschung sich inzwischen mehr auf andere Techniken konzentriert. Zum Beispiel ist es das Ziel sich auf invasive Methoden fokussieren und zu erreichen, diese weniger risikoreich zu gestalten.

Die Entwicklung von myoelektischer Prothetik macht, wie in Tabelle 2 dargestellt, große Fortschritte. Um die Ergebnisse von verschiedenen Herstellern zu vergleichen und auszuzeichnen, gibt es Wettkämpfe, wie zum Beispiel den Cybathlon in Zürich. Hier treten unterschiedliche Firmen gegeneinander an und präsentieren ihre Ergebnisse. Dazu muss ein sogeneannter Pilot mit der Porthese einen Parcours mit diversen alltäglichen Aufgaben durchlaufen. Im Anhang befindet sich ein Video, womit man sich einen genaueren Überblick verschaffen kann. Es zeigt das Arm-Finale des Cybathlons von 2020. [3]

Auch Exoskelette werden weltweit immer weiter optimiert und verglichen. Das lässt gerade für querschnitzgelähmte Hoffnung aufkommen. Immer mehr Entwickler trauen sich an die komplexe Konstruktion der Roboter-ähnlichen Gestelle heran, weshalb auch hier ein konkurrierender Markt entstanden ist. Im Anhang ist das Finale des Cybathlons von 2020 in der Kategorie Exoskelette zu sehen, was zur Vertiefung angeschaut werden kann. [3]

Sportliche Relevanz

Dieses Wiki zeigt, dass EEG gesteuerte Prothesen - zumindest so wie sie zur Zeit genutzt werden können - keine Zukunft in der Welt des Sports haben werden. Allerdings lassen Wettbewerbe wie der Cybathlon einen Wettkampfgedanken aufkommen, der an sportliche Events erinnert. Durch myoelektrisch gesteuerte Prothetik, oder sogar bald auch EEG und Chip gesteuerte Prothetik könnte es möglich sein, auch Sportler:innen auszustatten. Gelingt die Umsetzung im Alltag fehlerfrei, wäre es der nächste Schritt, die Prothesen (und die Benutzer:innen) höheren Belastungen auszusetzen. Zur Zeit beschränkt sich der Einsatz noch auf Bewegungen, die zwar körperlicher Betätigung gleichen, aber noch nicht mit Sport gleichgesetzt werden können.

Ethische Frage

Grundsätzlich stellt sich die Frage, ob es erstrebenswert ist, die „Fehler“ des Menschen durch Prothetik auszubessern und jeglichen Makel als verbesserungswürdig anzusehen. Zum Thema Transhumanismus gibt es bereits das Wiki-Projekt „Sport als „Wettkampf der Götter!?“ – Transhumanismus“, welches sich ausführlicher mit der Thematik beschäftigt.

Kegel, L.

Ab wann ist eine Prothese notwendig? Sind Prothesen aus ästhetischen Gründen auch gerechtfertigt?

Die Frage, ob eine Prothese notwendig ist, stellt sich selten aus medizinischen Gründen. Es wirft eher die Frage auf, ob die Lebensqualität durch eine Prothese gesteigert wird. Wenn das nicht gegeben ist, sollte erneut hinterfragt werden, ob eine Prothese ausschließlich aus optischen Gründen wirklich zielführend ist. Eine Prothese aus ästhetischen Gründen könnte bedeuten, dass die Psyche der zu behandelten Person gestärkt wird und darum die Lebensqualität wieder steigt. Der Moral-Ethische Ansatz dahinter wird sicherlich künftig noch Diskussionen aufwerfen.

Bleibt der Mensch Mensch?

Wenn Prothesen immer weiterentwickelt werden und Körperteile gleichwertig ersetzt werden können, gibt es immer weniger Grenzen für den Menschen. Die Verletzungsgefahr, die uns davon abhält, Risiken einzugehen (Beispiel: Extremsport), spielt dadurch eine kleinere Rolle. Bis jetzt sind wir sicherlich noch nicht an diesem Punkt. Die Zukunft könnte diesen Status Quo jedoch erreichen.

Was macht den Menschen aus?

Geben uns Prothesen übermenschliche Kräfte? Kann der Mensch seine Kräfte noch einschätzen, wenn Prothesen so weit entwickelt sind, dass sie dem Körper ein Vielfaches seiner Kraft geben? Findet eine Entfremdung des Körpers statt? Erleben wir noch Gefahren, Erschöpfung, natürliche Grenzen…?

Wie gehen wir im Sport mit Prothesen um? Eine Frage die uns aktuell schon beschäftigt. In der Leichtathletik wird schon darüber diskutiert ob z.B. Unterschenkelprothesen den Sportler:innen beim Weitsprung oder Sprint dazu verhelfen, weiter zu springen und schneller zu rennen als Sportler:innen ohne Prothesen. Erlaubt man nun Prothetik für alle? Lässt man die Technik einfach zu und die Sportler:innen müssen im Zusammenspiel mit den Prothesen immer größere Leistung erbringen? Das olympische Motto ‚Schneller, höher, stärker‘ würde dann ganz neue Maßstäbe bekommen. Wettkämpfe müssten eventuell umstrukturiert werden.

Für was dürfen Prothesen verwendet werden? Müssen Institutionen Regularien aufstellen? Prothesen wichtig für die Leistungssteigerung? Dürfen Prothesen in Kriegsfällen genutzt werden?

Haug, B.

Der Anhang dient ausschließlich zur weiteren Vertiefung.

Studien

Weitere Informationen zur Studie „Design an Optimization of an EEG-Based Brain Machine Interface to an Upper Limb Exoskelleton for Stroke Survivors“ [2]:

Auswahlkriterien für Proband:innen:

• Alter: 18-75 Jahre
• Chronischer Schlaganfall (wobei mindestens 6 Monate vergangen sein mussten)
• Halb-Lähmung einer oberen Extremität, die in Zusammenhang mit dem Schlaganfall aufgetreten ist
• Ausreichende Balance, um zu sitzen
• Keine Gelenk-Veränderungen oder Spastiken in der betroffenen Extremität
• Keine Seh-Einschränkung
• Keine Nervenblockade in den letzten 4 Monaten
• Keine Krankheit, die motorische Tests beeinflussen könnte
• Keine unbehandelte Depression, die die Teilnahme an der Studie beeinflussen könnte
• Nicht schwanger

Um Nebeneffekte auszuschließen, wurden alle Teilnehmenden vorher klinischen Untersuchungen unterzogen und wurden in ein physisches und kognitives Schädigungslevel eingestuft.

Weitere Informationen zur Studie „Robot-Assisted Thearapy for Long-Term Upper-Limb Impairment after Stroke“ lässt sich im Literaturverzeichnis unter Quelle [1] finden.

Alternativen

Neuralink:

Ausblick

Cybathlon - Arm Finale:

Cybathlon - Exoskelett Finale:

[1] Albert C. Lo, M.D., Ph.D., et al. am 13.05.2010 in „Robot-Assisted Thearapy for Long-Term Upper-Limb Impaiment after Stroke”, Zugriff am 27.01.2022 unter: https://www.nejm.org/doi/10.1056/NEJMoa0911341?url_ver=Z39.88-2003&rfr_id=ori:rid:crossref.org&rfr_dat=cr_pub%20%200www.ncbi.nlm.nih.gov

[2] Bhagat, N., et al. am 31.03.2016 in „Design and Optimization of n EEG-Based Brain Machine Interface (BMI) to an Upper Limb Exoskeleton for Stroke Survivors”, Zugriff am 27.01.2022 unter: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fnins.2016.00122/full

[3] Cybathlon ETH Zürich (2022), Projects and Events. Zugriff am 01.02.2022 unter: https://cybathlon.ethz.ch/en/projects-events

[4] Dr. Brigitte Osterath; Prof. Dr. Hansjörg Scherberger (2011). Zugriff am 01.02.2022 unter: https://www.dasgehirn.info/handeln/motorik/kommandozentrale-fuer-bewegungen?gclid=CjwKCAiA3L6PBhBvEiwAINlJ9BNYcuBoWbQXnqf0NjBYAMd4K8gclMPtt98XBXMo-7LlODOg3t2dKRoCIr8QAvD_BwE

[5] Dr. Manuela Lenzen; Prof. Dr. Jochem W. Riger (2014). Zugriff am 01.02.2022 unter: https://www.dasgehirn.info/entdecken/brain-computer-interface/mensch-maschine-kommunikation-so-gehts

[6] Feser, M. (2013). Physik der Elektroenzephalographie (Abschlussarbeit an der Uni Würzburg)

[7] Görgen, J. EEG-Untersuchung (Elektroenzephalografie). Zugriff am 3.1.22 unter: https://www.praktischarzt.de/untersuchungen/eeg/

[8] Institut für Qualität und Wirtschaftlichkeit im Gesundheitswesen (IQWiG). (2018). Was passiert bei einer Elektroenzephalografie (EEG)? Zugriff am 25.01. unter: Was passiert bei einer Elektroenzephalografie (EEG)? (gesundheitsinformation.de)

[9] Karim, A.A. & Bierbaumer, N. 6.6 Motorische Neuroprothesen. Zugriff am 25.01. unter: Motorische-Neuroprothesen.pdf (researchgate.net)

[10] Menche, N. (2016). Anatomie, Biologie, Physiologie. (8. Aufl.). München: Urban & Fischer (S. 100 ff.)

[11] Pohlig GmbH (2022) in Patientengeschichten. Zugriff am 01.02.2022 unter: https://www.pohlig.net/de/orthopaedie-technik/versorgungslosungen/prothesen-fuer-finger-hand-arm/passive-armprothese/landwirt-mit-armprothese

[12] Quandt et al. (2012) Grundlagen und Anwendung von Brain – Machine Interfaces. in klinische Neurophysiologie

[13] Robert F Schmidt (2001), Physiologie Kompakt, Springer Verlag, S. 14

[14] Samochowiec J., Schmidt A. (2017). Robotik und Behinderung – Wie Maschinen morgen Menschen helfen. Gottlieb Duttweiler Institute, S.33-39

[15] Schulz, S.(2015) in *Eine-bionische-Handprothese-fuer-Kinder-und-Jugendliche.pdf. Zugriff am 01.02.2022 unter: (researchgate.net) .

Weiterführend: https://studyflix.de/biologie/aktionspotential-2739

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