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Medizin

Tetraplegikerin lenkt Roboterarm mit Gedanken

Montag, 17. Dezember 2012

Nur mit den Gedanken führt die Patientin den Roboterarm mit der Schokolade zum Mund /UPMC

Pittsburgh – Zwei epidurale Hirnimplantate, eine intelligente Software und eine ausge­klügelte Technik ermöglichen es einer Tetraplegikerin allein mit der Kraft ihrer Gedanken die Hand einer Roboters zu bewegen und einfache Handlungen durchzuführen. Der Fallbericht im Lancet (2012; doi: 10.1016/S0140-6736(12)61816-9) zeigt, wozu Gehirn-Computer-Schnittstellen mittlerweile fähig sind.

Bei der 52-Jahre alten Frau war vor 13 Jahren eine spinozerebelläre Ataxie diagnostiziert worden. Die chronisch fortschreitende Degeneration des Kleinhirns hatte inzwischen zu einer kompletten Lähmung aller vier Extremitäten geführt. Im Februar hatte das Team um Andrew Schwartz von der University of Pittsburgh School of Medicine der Patientin in einem stereotaktischen Eingriff zwei 4 mal 4 Millimeter große Chips auf den linken motorischen Cortex platziert.

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Die genaue Position war zuvor mittels struktureller und funktionaler Magnetresonanz­tomographie bestimmt worden. Die jeweils 96 Stifte der beiden Chips fangen seither die neurologischen Signale einzelner Neurone auf, die beim gesunden Menschen die Bewegungen von Arm, Hand und Finger steuern. Die Frau war infolge ihrer Tetraplegie dazu nicht mehr in der Lage. Doch mit den Signalen, die von einem Computer ausge­wertet wurden, kann sie heute einen Roboter-Arm lenken, der in seinen Funktionen dem menschlichen Arm nachgebildet war.

Schon zwei Tage nach der Operation konnte die Frau das erste Mal seit 9 Monaten wieder eine Hand bewegen, wenn es auch nicht ihre eigene war. Nach einer Woche war sie zu einfachen Bewegungen fähig, die von dem Rechner die Koordinierung von sieben Bewegungsrichtungen (vor-zurück, rechts-links, oben-unten, Pronation-Supination, Ulna-Radiusdiviaion, Greifen-Loslassen) erfordert. Sie wurden von kleinen Motoren ausgeführt, die innerhalb von 20 Millisekunden auf Anweisungen reagieren, die der Computer in Echtzeit aus den Ableitungen der beiden Elektroden aus dem linken motorischen Cortex errechnet.

Auf den Videos ist zu sehen, wie die Patientin mit dem Arm Gegenstände unterschied­licher Form von einer Fläche hebt und auf eine Box legt. Es gelingt ihr auch, angereichte Dinge zu ergreifen oder abzugeben. Am Ende kann sie sich für ihre Bemühungen mit einer Tafel Schokolade belohnen, die sie selbst mit dem Roboter-Arm zum Mund führt, um ein Stück davon abzubeißen.

Nach 13 Wochen und 34 Trainingsstudien bereiten die Bewegungen der Patienten noch sichtlich Mühe. Man sieht wie ihr Gehirn damit beschäftigt ist, die richtigen Neuronen zu aktivieren, mit denen sie das Gerät steuern kann. Der Roboter scheint noch weit davon entfernt, im Alltag eine große Hilfe zu sein.

Die Geschwindigkeit, mit der die Patientin gelernt hat, allein durch ihre Gedanken sieben-dimensionale Bewegungen – neben Höhe, Breite, Tiefe und Zeit auch die Translation als Bewegung zum Objekt, die Orientierung am Objekt und das Greifen – zu beherrschen, sind eine beeindruckende Leistung, die mehr erwarten lassen. Die Forschung hat sich in den letzten Jahren schnell von den ersten Prototypen, bei denen die Probanden einen Cursor auf dem Bildschirm steuern können zu komplexen Bewegungsanweisungen erweitert.

In einer parallelen Studie untersucht Schwartz derzeit, ob die Gehirn-Computer-Schnittstelle auch mittels EEG-Signale gesteuert werden kann, was eine Operation unnötig machen und den Einsatz in der Rehabilitation sicherlich erleichtern würde. © rme/aerzteblatt.de

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