Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Beinprothese mit Gespür verbessert die Gesundheit

09.09.2019

Erstmals spüren zwei Personen mit Beinamputation oberhalb des Knies ihren künstlichen Fuss und ihr künstliches Bein in Echtzeit. Ermöglicht wird dies durch eine neuartige bionische Prothese mit Sensoren, die mit den Nerven im Oberschenkel verbunden sind. Dank dem Neurofeedback haben die Prothe-senträger ein höheres Vertrauen in die künstliche Gliedmasse, das Gehen ist für sie körperlich und mental weniger anstrengend, und sie leiden weniger un-ter Phantomschmerzen.

Menschen mit intakten Beinen spüren, wenn sie ihr Knie bewegen oder wenn ihre Füsse den Boden berühren. Ihr Nervensystem nutzt ständig solche sensorischen Rückmeldungen, um die Muskeln präzise zu steuern. Wer eine Beinprothese tragen muss, weiss jedoch nicht so genau, wo sich die Prothese befindet und wie sie sich bewegt.


Video: ETH Zürich / Stanisa Raspopovic

Beim Gehen der Prothese zu vertrauen, ist für diese Personen schwierig und sie verlassen sich deshalb oft zu stark lediglich auf ihr intaktes Bein. Ihre Beweglichkeit ist daher eingeschränkt und sie ermüden schnell.

Zudem leiden Menschen mit einer amputierten Extremität häufig unter Phantomschmerzen, welchen mit Medikamenten nur schwer beizukommen ist.

Ein internationales Forscherteam unter der Leitung der ETH Zürich und des Lausanner Start-ups Sensars hat nun eine Schnittstelle entwickelt, um eine Beinprothese mit den Nerven im Oberschenkel der Nutzer zu verbinden und so sensorisches Feedback zu ermöglichen.

In einer Studie in Zusammenarbeit mit der Universität Belgrad testeten die Wissenschaftler dieses Neurofeedback-System an zwei freiwilligen Prothesenträgern, denen ein Bein oberhalb des Knies amputiert worden ist.

«Unsere Machbarkeitsstudie zeigt, wie vorteilhaft es für die Gesundheit von Beinamputierten ist, eine Prothese zu haben, die mit neuronalen Implantaten arbeitet, um das sensorische Feedback wiederherzustellen», sagt Stanisa Raspopovic, Professor am Institut für Robotik und Intelligente Systeme der ETH Zürich. Er und seine Kollegen berichten darüber in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift «Nature Medicine».

Künstliche Signale in natürliche umwandeln

In der Studie verwendeten die Wissenschaftler eine kommerziell erhältliche Prothese mit einem elektronischen Hightech-Kniegelenk. An der Sohle des Prothesenfusses befestigten sie Berührungssensoren. Während der dreimonatigen Studiendauer platzierten Chirurgen winzige Elektroden im Oberschenkel der Probanden und verbanden sie mit den dort vorhandenen Beinnerven.

«Das Ziel der Operation war es, Elektroden an den richtigen Stellen im Inneren des Nervs anzubringen, um die Wiederherstellung von lebensechtem sensorischem Feedback zu ermöglichen und die Stabilität der Elektroden zu gewährleisten», sagt Marko Bumbasirevic, Professor und orthopädischer Mikrochirurg am Klinischen Zentrum von Serbien in Belgrad, der für das Implantieren der Elektrode verantwortlich war. Entwickelt wurden die Elektroden von Forschenden der Universität Freiburg i.Br., die Prothesen kamen von der Prothesenfirma Össur, die beide aktiv am Projekt beteiligt waren.

Das Forschungsteam entwickelte Algorithmen, um die Informationen des Tastsensors an der Fusssohle sowie der Bewegungssensoren im elektronischen Kniegelenk in Stromimpulse – die Sprache des Nervensystems – zu übersetzen. Die Elektroden leiteten diese Pulse an den Nerv weiter, und die Natur kümmerte sich um den Rest: die Nervensignale werden ans Gehirn weitergeleitet, die Träger konnten dadurch die Prothese wahrnehmen und ihren Gang entsprechend anpassen. Maschine und Körper wurden so zu einer Einheit.

Geringerer Kraftaufwand beim Gehen

Im Rahmen der Studie absolvierten die Probanden eine Reihe von Tests, abwechselnd mit und ohne Neurofeedback. Die Ergebnisse machten deutlich, wie vorteilhaft das Feedback war: Das Gehen mit Neurofeedback war für die Probanden körperlich viel weniger anstrengend, was sich in einem deutlich reduzierten Sauerstoffverbrauch zeigte. Auch mental war das Gehen mit Neurofeedback weniger anstrengend, wie die Forschende mit Messungen der Gehirnaktivität zeigten. Die Probanden mussten sich nicht so sehr auf das Gehen konzentrieren und konnten Ihre Aufmerksamkeit stattdessen auf andere Aufgaben richten.

In einem schwierigen Test mussten die Probanden über Sand gehen. Das Feedback ermöglichte ihnen, deutlich schneller zu gehen. In Umfragen gaben die Probanden an, dass das Neurofeedback ihr Vertrauen in die Prothese stark erhöhte.

Weniger Phantomschmerzen

Die Schnittstelle zum Nervensystem kann auch dazu genutzt werden, die Nerven unabhängig von der Prothese zu stimulieren. Bevor sie mit der Studie begannen, klagten beide Studienteilnehmer über Phantomschmerzen. Savo Panic, einer der Probanden, wachte nachts oft wegen Phantomschmerzen auf. «Der Zeh, den ich nicht habe, tat mir weh – mein grosser Zeh, mein Fuss, meine Ferse, mein Knöchel und meine Wade, alles schmerzte, und dabei habe ich das alles gar nicht mehr», sagt er. Im Rahmen eines einmonatigen Neurostimulation-Therapieprogramms gelang es den Wissenschaftlern, diesen Schmerz beim einen Probanden deutlich zu reduzieren, bei Panic, verschwand der Schmerz sogar vollständig. «Seitdem ich mit der Neurostimulation begonnen habe, habe ich keine Phantomschmerzen mehr», sagt dieser.

Diese Ergebnisse stimmen die Forschenden optimistisch. Sie weisen jedoch darauf hin, dass eine längere Untersuchung, in der eine grössere Zahl von Probanden das System im Alltag testet, nötig ist, um zuverlässigere Schlussfolgerungen ziehen zu können. Für die zeitlich begrenzte klinische Studie wurden die Signale der Prothese über Kabel durch die Haut zu den Elektroden im Oberschenkel geleitet. Das bedeutete, dass sich die Versuchsteilnehmer regelmässig einer medizinischen Untersuchung unterziehen mussten. Um dies zu vermeiden, wollen die Wissenschaftler ein vollständig implantierbares System entwickeln. «Bei Sensars planen wir die Entwicklung eines drahtlosen Neurostimulationsgerätes, das wie ein Herzschrittmacher vollständig in den Patienten implantiert und auf den Markt gebracht werden kann», sagt Francesco Petrini, CEO von Sensars.

An dem Projekt waren neben der ETH Zürich, den Universitäten Belgrad und Freiburg i.Br., Sensars und Össur auch Forschende der EPFL, der Scuola Superiore Sant’Anna in Pisa, der Universität Montpellier und der Firma mBrainTrain beteiligt.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

ETH Zürich
Stanisa Raspopovic
Institut für Robotik und Intelligente Systeme
Telefon: +41 76 706 48 50
stanisa.raspopovic@hest.ethz.ch

Originalpublikation:

Nature Medicine, doi: 10.1038/s41591-019-0567-3

Bild und Videomaterial finden Sie unter: https://www.skyfish.com/sh/b0646b74283af1f11e4bb6bfc5e4a1c450eba115/1ad30393/157...

Vanessa Bleich | Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)
Weitere Informationen:
http://www.ethz.ch

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Medizintechnik:

nachricht Hochauflösende 3D-Ansicht des Tumorinneren
26.05.2020 | Technische Universität München

nachricht Kostengünstige Netzhaut-Diagnostik per Smartphone
25.05.2020 | Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Medizintechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Innovative Sensornetze aus Satelliten

In Würzburg werden vier Kleinst-Satelliten auf ihren Start vorbereitet. Sie sollen sich in einer Formation bewegen und weltweit erstmals ihre dreidimensionale Anordnung im Orbit selbstständig kontrollieren.

Wenn ein Gegenstand wie der Planet Erde komplett ohne tote Winkel erfasst werden soll, muss man ihn aus verschiedenen Richtungen ansehen und die...

Im Focus: New double-contrast technique picks up small tumors on MRI

Early detection of tumors is extremely important in treating cancer. A new technique developed by researchers at the University of California, Davis offers a significant advance in using magnetic resonance imaging to pick out even very small tumors from normal tissue. The work is published May 25 in the journal Nature Nanotechnology.

researchers at the University of California, Davis offers a significant advance in using magnetic resonance imaging to pick out even very small tumors from...

Im Focus: I-call – Wenn Mikroimplantate miteinander kommunizieren / Innovationstreiber Digitalisierung - »Smart Health«

Die Mikroelektronik als Schlüsseltechnologie ermöglicht zahlreiche Innovationen im Bereich der intelligenten Medizintechnik. Das vom Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT koordinierte BMBF-Verbundprojekt »I-call« realisiert erstmals ein Elektroniksystem zur ultraschallbasierten, sicheren und störresistenten Datenübertragung zwischen Implantaten im menschlichen Körper.

Wenn mikroelektronische Systeme für medizintechnische Anwendungen eingesetzt werden, müssen sie hohe Anforderungen hinsichtlich Biokompatibilität,...

Im Focus: I-call - When microimplants communicate with each other / Innovation driver digitization - "Smart Health“

Microelectronics as a key technology enables numerous innovations in the field of intelligent medical technology. The Fraunhofer Institute for Biomedical Engineering IBMT coordinates the BMBF cooperative project "I-call" realizing the first electronic system for ultrasound-based, safe and interference-resistant data transmission between implants in the human body.

When microelectronic systems are used for medical applications, they have to meet high requirements in terms of biocompatibility, reliability, energy...

Im Focus: Wenn aus theoretischer Chemie Praxis wird

Thomas Heine, Professor für Theoretische Chemie an der TU Dresden, hat 2019 zusammen mit seinem Team topologische 2D-Polymere vorhergesagt. Nur ein Jahr später konnten diese Materialien von einem italienischen Forscherteam synthetisiert und deren topologische Eigenschaften experimentell nachgewiesen werden. Für die renommierte Fachzeitschrift Nature Materials war das Anlass, Thomas Heine zu einem News and Views Artikel einzuladen, der in dieser Woche veröffentlicht wurde. Unter dem Titel "Making 2D Topological Polymers a reality" beschreibt Prof. Heine, wie aus seiner Theorie Praxis wurde.

Ultradünne Materialien sind als Bausteine für nanoelektronische Bauelemente der nächsten Generation äußerst interessant, da es viel einfacher ist, Schaltungen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Gebäudewärme mit "grünem" Wasserstoff oder "grünem" Strom?

26.05.2020 | Veranstaltungen

Dresden Nexus Conference 2020 - Gleicher Termin, virtuelles Format, Anmeldung geöffnet

19.05.2020 | Veranstaltungen

Urban Transport Conference 2020 in digitaler Form

18.05.2020 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Klare Sicht – Projekt zur sichereren Laserbehandlung von Floatern gestartet

26.05.2020 | Medizin Gesundheit

Blutgefässe einfacher und präziser sichtbar machen

26.05.2020 | Biowissenschaften Chemie

Max-Planck-Forscher entwickeln "ultimativen Zellsortierer"

26.05.2020 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics