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Medizin

Gehirn steuert Beinprothese

Donnerstag, 26. September 2013

Chicago – Nach dem Erfolg ihrer myoelektrischen Armprothese, die inzwischen von kommerziellen Anbietern aufgegriffen wurde, stellen US-Ingenieure im New England Journal of Medicine (2013; 369: 1237-1242) eine ähnliche robotergesteuerte Prothese für Oberschenkelamputierte vor, die die Bewegungen im Knie- und Fußgelenk durch gezielte Muskelbewegungen im Stumpf intuitiv steuern können.

Kern der am Rehabilitation Institute of Chicago entwickelten Prothese sind elektro­myographische Sensoren. Sie fangen die elektrischen Potenziale auf, die bei der Kontraktion in der Muskulatur im Stumpf entstehen. Diese werden von einem Rechner in der Prothese in Steuersignale umgesetzt, die dann die Motoren im Knie und Fußgelenk in Gang setzen. Alles muss in Echtzeit erfolgen, um einen flüssigen Bewegungsablauf sicher zu stellen.

Um die unterschiedlichen Bewegungen von Arm und Hand zu simulieren, war bei der Oberarmprothese eine vorbereitende Operation notwendig. Bei der „targeted muscle reinnervation“ (TMR) wurden im Stumpf einzelne Nerven freipräpariert, welche die Muskeln der fehlenden Extremität innerviert hatten, und dann mit anderen noch vorhandenen Muskeln an Oberarm und Brust verbunden.

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Auch für die jetzt vom Team um Todd Kuiken vorgestellte Oberschenkelprothese erfolgte eine TMR. Sie konnte bei dem ersten Patienten bereits zum Zeitpunkt der Amputation durchgeführt werden. Der 31-jährige Mann hatte bei einem Motorradunfall schwere Verletzungen am rechten Bein erlitten, das oberhalb des Knies abgesetzt werden musste. Bei der Operation wurden die beiden Äste des Nervus ischiadicus freipäpariert. Der Nervus peronaeus communis wurde mit dem langen Kopf des Musculus biceps femoris verbunden. Der Nervus tibialis wurde an den Musculus semitendinosus angeschlossen.

Wie bei den TMR-Operationen am Oberarm vergingen einige Wochen, bis die Axone der Nervenzellen neuromuskuläre Endplatten zu den Muskelzellen gebildet hatten und die Reinnervation abschlossen war. Danach kam es bei dem Patienten immer dann zu einer Kontraktion im Musculus semitendinosus, wenn er versuchte, den fehlenden Fuß im Sprunggelenk anzuheben (Dorsalflexion). Die gegensätzliche Beugung des Fußes in Richtung Fußsohle (Plantarflexion) führte jetzt zu einer Kontraktion im langen Bizepsmuskel des Stumpfes.

Noch fehlten die Signale für die Beugung (Flexion) und Streckung (Extension) im Kniegelenk. Sie wurden aus den Signalen der restlichen acht Stumpfmuskeln (Musculi rectus femoris, vastus lateralis, vastus medialis, sartorius, gracilis, adductor magnus, tensor fasciae latae sowie den kurzen Kopf des Musculus biceps femoris) mittels eines Algorithmus bestimmt. Dazu wurden rund um den Stumpf 96 Elektroden platziert, die später in den Schaft der Prothese integriert wurden.

Die Prothese wog am Ende 4,7 Kilogramm. Sie enthielt neben Elektroden und Steuergerät, Batterien und Elekromotoren noch 13 mechanische Sensoren, darunter ein 3D-Beschleunigungssensor, ein 3D-Gyroskop sowie Sensoren für die vertikale Belastung, die Position von Knie- und Sprunggelenk, sowie für Drehung und Geschwindigkeit. Diese mechanischen Sensoren sind auch in bereits angeboteten motorgesteuerten Prothesen (wie Power Knee) eingebaut, mit denen sich die myoelektrische Beinprothese messen muss.

Bereits die mechanosensorische Steuerung der Prothese führte zu guten Ergebnissen. Der Anteil der fehlerhaften Bewegungen betrug nur 12,9 Prozent. Durch das Zuschalten der myoelektrischen Steuerung konnte die Fehlerrate auf 2,2 Prozent gesenkt werden, wenn nur die Signale der natürlichen Muskelsignale (ohne TMR) berücksichtigt wurden.

Nach Zuschalten der TMR-Signale sank die Rate weiter auf 1,8 Prozent. Eine niedrige Fehlerrate ist bei Beinprothesen wichtig, da Fehlbewegungen schnell zu Stürzen führen können. Das Risiko scheint nach den auf den Begleitvideos zu sehenden Beispielen gering zu sein. Der Patient konnte mit der Prothese Treppen steigen, schräge Ebenen bewältigen und (allerdings auf einem Stuhl sitzend) einen zugespielten Fußball wegkicken. © rme/aerzteblatt.de

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