Chirurgische und technische Innovationen ermöglichen eine beispiellose Kontrolle über jeden Finger einer bionischen Hand

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Prothesen sind die häufigste Lösung, um eine verlorene Extremität zu ersetzen. Allerdings sind sie schwer zu kontrollieren und oft unzuverlässig, da nur wenige Bewegungen möglich sind. Restmuskeln im Restglied sind die bevorzugte Kontrollquelle für bionische Hände. Dies liegt daran, dass Patienten ihre Muskeln nach Belieben anspannen können und die durch die Kontraktionen erzeugte elektrische Aktivität genutzt werden kann, um der Handprothese mitzuteilen, was sie tun soll, beispielsweise öffnen oder schließen. Ein großes Problem bei höheren Amputationsniveaus, beispielsweise oberhalb des Ellenbogens, besteht darin, dass nicht mehr viele Muskeln übrig bleiben, um die vielen Robotergelenke zu steuern, die zur tatsächlichen Wiederherstellung der Funktion von Arm und Hand erforderlich sind.

Ein multidisziplinäres Team aus Chirurgen und Ingenieuren hat dieses Problem umgangen, indem es den Stumpf neu konfiguriert und Sensoren sowie ein Skelettimplantat integriert hat, um es elektrisch und mechanisch mit einer Prothese zu verbinden. Durch die Zerlegung der peripheren Nerven und deren Umverteilung auf neue Muskelziele, die als biologische Verstärker dienen, kann die bionische Prothese nun auf viel mehr Informationen zugreifen, sodass der Benutzer viele Robotergelenke nach Belieben steuern kann (Video: youtu.be/h1N-vKku0hg).

Die Forschung wurde von Professor Max Ortiz Catalan geleitet, Gründungsdirektor des Zentrums für Bionik und Schmerzforschung (CBPR) in Schweden, Leiter der Forschung zu neuronaler Prothetik am Bionics Institute in Australien und Professor für Bionik an der Technischen Universität Chalmers in Schweden.

„In diesem Artikel zeigen wir, dass die verteilte und gleichzeitige Neuverkabelung von Nerven mit verschiedenen Muskelzielen nicht nur möglich ist, sondern auch zu einer verbesserten prothetischen Kontrolle beiträgt. Ein wesentliches Merkmal unserer Arbeit besteht darin, dass wir die Möglichkeit haben, verfeinerte chirurgische Verfahren klinisch umzusetzen und zum Zeitpunkt der Operation Sensoren in die neuromuskulären Konstrukte einzubetten, die wir dann über eine osseointegrierte Schnittstelle mit dem elektronischen System der Prothese verbinden. Den Rest erledigen KI-Algorithmen.“

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Prothesen werden üblicherweise über einen Schaft am Körper befestigt, der den Rest der Gliedmaße zusammendrückt, was zu Beschwerden führt und mechanisch instabil ist. Eine Alternative zur Pfannenbefestigung ist die Verwendung eines Titanimplantats, das im verbleibenden Knochen platziert wird und dort fest verankert wird – dies wird als Osseointegration bezeichnet. Eine solche Skelettbefestigung ermöglicht eine bequeme und effizientere mechanische Verbindung der Prothese mit dem Körper.

„Es ist lohnend zu sehen, dass unsere hochmodernen chirurgischen und technischen Innovationen einem Menschen mit einer Armamputation ein so hohes Maß an Funktionalität bieten können. Dieser Erfolg basiert auf über 30 Jahren schrittweiser Entwicklung des Konzepts, zu dem ich stolz bin, dazu beigetragen zu haben“, kommentiert Dr. Rickard Brånemark, Forschungspartner am MIT, außerordentlicher Professor an der Universität Göteborg, CEO von Integrum, einem führenden Experten für Osseointegration für Gliedmaßenprothesen, der die Implantation der Schnittstelle durchführte.

Die Operation fand am Sahlgrenska-Universitätskrankenhaus in Schweden statt, wo sich CBPR befindet. Das neuromuskuläre Rekonstruktionsverfahren wurde von Dr. Paolo Sassu durchgeführt, der auch die in Skandinavien durchgeführte Transplantation aus erster Hand leitete.

„Die unglaubliche Reise, die wir gemeinsam mit den Bionik-Ingenieuren von CBPR unternommen haben, hat es uns ermöglicht, neue mikrochirurgische Techniken mit hochentwickelten implantierten Elektroden zu kombinieren, die eine Ein-Finger-Steuerung einer Armprothese sowie sensorisches Feedback ermöglichen. Patienten, die eine Armamputation erlitten haben, könnten nun eine bessere Zukunft sehen“, sagt Dr. Sassu, der derzeit am Istituto Ortopedico Rizzoli in Italien arbeitet.

Der Artikel „Science Translational Medicine“ veranschaulicht, wie sich die übertragenen Nerven nach und nach mit ihren neuen Wirtsmuskeln verbanden. Sobald der Innervationsprozess weit genug fortgeschritten war, verbanden die Forscher sie mit der Prothese, sodass der Patient jeden Finger einer Prothesenhand kontrollieren konnte, als wäre es sein eigener (Video: https://youtu.be/3Zn6T3GlONY). Die Forscher zeigten außerdem, wie das System auf Aktivitäten des täglichen Lebens reagiert (Video: https://youtu.be/yC24WRoGIe8) und sind derzeit dabei, die Steuerbarkeit der bionischen Hand weiter zu verbessern.

Referenz: Zbinden J, Sassu P, Mastinu E, et al. Verbesserte Kontrolle einer Gliedmaßenprothese durch chirurgische Herstellung elektroneuromuskulärer Konstrukte mit implantierten Elektroden. Sci Transl Med. 2023;15(704):eabq3665. doi: 10.1126/scitranslmed.abq3665

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