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Göttingen Neues Prothese-Verfahren: „Wie Weihnachten und Ostern an einem Tag“
Campus Göttingen Neues Prothese-Verfahren: „Wie Weihnachten und Ostern an einem Tag“
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13:32 24.06.2018
Die neuartige simultane Prothesensteuerung interpretiert die neuronalen Signale des Anwenders indirekt durch Auswertung schwacher elektrischer Potentiale der Stumpf-muskulatur mittels Verfahren des maschinellen Lernens. Quelle: UMG
Göttingen

Es ist ein kleiner, aber wichtiger Schritt hin zu immer flexibler nutzbaren Armprothesen: An der Universitätsmedizin Göttingen ( UMG) wurde eine neue Prothesensteuerung entwickelt, die zwei verschiedene Bewegungen auf einmal erlaubt und sich dabei als ausgesprochen robust und praxistauglich erweist.

Jörg Othmer, der die neue Prothese für zwei Monate testen durfte, findet hehre Worte für die mit ihr verbundenen positiven Veränderungen in seinem Alltag: „Für mein Gehirn ist das neue Verfahren wie Weihnachten und Ostern an einem Tag. Ich kann jetzt zwei Dinge auf einmal machen. Das bringt mir eine neue Lebensqualität.“ Der entwickelte Steuerungsprototyp für Armprothesen ist in der Lage, die künstliche Hand sowohl zu drehen als auch zu öffnen und zu schließen und das voneinander unabhängig in unterschiedlichen Geschwindigkeiten.

Zwei Funktionen gleichzeitig – das klingt zunächst nach nicht viel, stellt jedoch eine wichtige Weiterentwicklung der bisherigen Armprothesenfunktionalität dar. Mit dem bisherigen von der Industrie eingesetzten Verfahren lassen sich zwar auch verschiedene Bewegungen umsetzen, aber nur nacheinander. Manche aktuelle Prothesenhardware bietet viele Funktionen – etwa jeden Finger einzeln anzusteuern. Doch nach der ersten Bewegung muss der Anwender auf die nächste gewollte Funktion umschalten. Das ist sehr umständlich und langsam.

Jörg Othmer testet alltagsnah und in schwierigen Armpositionen für die Evaluierung der simultanen Prothesensteuerung. Quelle: UMG

„Es gibt momentan noch keine Steuerung, mit der diese hohe Zahl von Funktionen problemlos benutzt werden kann“, so Janne Hahne, Erstautor der Prothesenstudie der UMG. Im Alltag versagen solche komplexen Steuersysteme oft. Anders bei der UMG-Steuerung. Die stelle zwar im Vergleich nur einen „mittelgroßen Schritt“ dar – von einer zu zwei Funktionen gleichzeitig –, aber sie habe sich als praxistauglich erwiesen. „Wir hatten erwartet, dass es im Alltag zu Problemen kommen würde, aber überraschenderweise hat die Prothese ziemlich gut und stabil funktioniert“, sagt Hahne.

Herausforderung: Interpretation der Muskelsignale

Die Herausforderung für die Steuerung liegt in der Interpretation der Muskelsignale. Die Prothese funktioniert nach folgendem Schema: Der Anwender „bewegt“ seine Phantomhand wie seine echte – dadurch entstehen elektrische Signale in der Restmuskulatur des Armstumpfes, die wiederum von Elektroden aufgezeichnet werden. Diese Signale werden von einem Mini-Computer in der Prothese in Steuerbefehle für die Prothese umgewandelt.

Erstautor Dr. Janne Hahne, Applied Rehabili-tation Technology Lab (ART-Lab), Klinik für Unfallchirurgie, Orthopädie und Plastische Chirurgie der UMG Quelle: BENJAMIN KLINGEBIELBENJAMIN KLINGEBIEL

Schwierig ist es jedoch, die Muskelsignale eindeutig zu erfassen und der gewollten Bewegung zuzuordnen. Soll eine Steuerung gleichzeitig mehrere Bewegungen ausführen, muss der Mini-Computer verschiedene Muskelsignale mit hoher Eindeutigkeit verstehen. „Es gibt seit Jahrzehnten in der Forschung den Versuch, eine Vielzahl von Bewegungen gleichzeitig auszuführen“, so Hahne. „Das Problem ist, dass das am Computer zwar oft hervorragend funktioniert, aber im Alltag unzuverlässig ist.“

Erschwerend kommt hinzu, dass verschiedene Faktoren die Signalmuster im Alltag verändern können: sei es die Änderung der Armposition, dass Muskeln und Haut sich gegeneinander verschieben, die Haut schwitzt oder dass beim Wiederanlegen der Prothese die Sensoren, welche die Muskelbewegungen registrieren, an einer leicht anderen Stelle anliegen.

Daher bewegte sich die UMG-Arbeitsgruppe Applied Rehabilitation Technology Lab (ART-Lab) an der Klinik für Unfallchirurgie, Orthopädie und Plastische Chirurgie mit ihren rund 20 Mitarbeitern und ihren Kooperationspartnern am Imperial College London, der HAW Hamburg und Ottobock nur mit einem kleinen Schritt technisch voran. „Die größte Herausforderung dafür, die Prothese zuverlässig arbeiten zu lassen, liegt in der Alltagsfunktionalität“, so Janne Hahne. Die hat man nun erreicht.

Entscheidend für den Erfolg ist jedoch auch das Training, mittels dessen der Anwender zunächst über einen Computer lernt, der Prothese genaue Anweisungen zu geben. Aus diesem individuellen Signalmuster des Anwenders wird ein Algorithmus entwickelt, der dann die individualisierte Prothese im Alltag steuert. „Unser Verfahren hat sich bewährt“, so Hahne, die Erkenntnisse lägen vor. Jetzt läge es an der Industrie, diese Weiterentwicklung aufzugreifen.

Von Sven Grünewald

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