Orthopädie

[Arbeitsprobe]:

Ein Kunstarm mit Gefühl, vom Gehirn gesteuert

Bei einem schweren Unfall verlor Christian Kandlbauer beide Arme. Inzwischen steuert er die linke Prothese ausschließlich mit seinen Gedanken. Und er kann spüren, was die Sensoren der Prothese ihm mitteilen.

Von Thomas Meißner

Etwas mehr als vier Jahre ist es her, da verbrannten dem damals 17-jährigen Christian Kandlbauer aus der Steiermark in Österreich wegen eines Dummejungenstreiches auf einem Starkstrommast beide Arme. Der rechte Arm musste knapp unterhalb der Schulter amputiert, links musste sogar das Schultergelenk mit entfernt werden. Heute geht der junge Mann täglich seiner Arbeit als Lagerist nach und hat kürzlich seinen Führerschein gemacht.

Möglich wird das durch zwei künstliche Arme. Der rechte ist eine herkömmliche Prothese, der linke jedoch ein völlig neuer Cyber-Arm und Kandlbauer ist der erste Europäer, der diesen benutzt und sich als Proband für einen Medizintechnikhersteller Verfügung gestellt hat. Die rechte, konventionelle Prothese steuert Kandlbauer mit zwei Restmuskeln seines Oberarmstumpfes, den linken Prototyp steuert er mit seinen Gedanken und nutzt dabei dieselben Nervenimpulse wie jeder Gesunde.
Keine natürliche Bewegung

Konventionelle Armprothesen funktionieren mit Hilfe von nur zwei Elektroden. Diese werden über dem Ellenbogenbeugemuskel (Biceps) sowie dem Ellenbogenstrecker (Triceps) platziert. Reste dieser Muskeln sind im Allgemeinen vorhanden, weil Arme meistens unterhalb der Schulter amputiert werden können. Abgeleitet werden also ein Beugersignal und ein Strecksignal. Mit diesen zwei Signalen müssen der Ellenbogen gestreckt oder gebeugt, die Prothesenhand gedreht sowie die Hand geschlossen und geöffnet werden. Mit einem „Schalter“ steuert der Patient die drei Ebenen Ellenbogen, Handgelenk und Hand an, muss also hin und her schalten, bevor die gewünschte Einzelbewegung ausgeführt werden kann. Bedient wird dieser „Schalter“ elektronisch, indem der Patient gleichzeitig Biceps und Triceps anspannt. Der Patient muss stets wissen, in welcher Steuerungsebene er sich gerade befindet. „Diese Methode ist nicht intuitiv“, sagt Hubert Egger, Projektleiter für die gedankengesteuerte Armprothese beim Medizintechnikunternehmen Otto Bock. Der Anwender müsse sich erheblich konzentrieren. An harmonische Bewegungsabläufe oder auch nur annähernd natürliche Bewegungsmuster ist also nicht zu denken.

In der neuen Armprothese, die Kandlbauer an der linken Schulter angepasst worden ist, gibt es einen solchen Schalter nicht. Ein eingebauter Minicomputer analysiert die einlaufenden Signalmuster, erkennt daraus die Bewegungsabsicht des Patienten und setzt sie um. Bevor dies allerdings funktionierte, musste sich Kandlbauer einer nervenchirurgischen Operation unterziehen sowie jede Menge trainieren.
Nervenreste „umgesteckt“

Die Idee: Originalsignale des Gehirns, ausgelöst zum Beispiel durch den Gedanken „Ich nehme das Glas“, sollen im Idealfall zu allen notwendigen Bewegungsanteilen in der Prothese führen. Dazu haben Oskar Aszmann und seine Kollegen von der Abteilung für plastische und rekonstruktive Chirurgie an der Medizinischen Universität Wien die für Arm und Hand zuständigen Nervenreste Kandlbauers, die nach dem Unfall „arbeitslos“ geworden waren, aus dem Armnervengeflecht herausgelöst und an versorgende Nervenäste vorzugsweise der Brustmuskulatur „umgesteckt“. Denkt Kandlbauer heute zum Beispiel „Ellenbogen beugen“, spannt sich der obere Teil des großen Brustmuskels an, bei „Faust schließen“, der kleine Brustmuskel.

Diese Muskeln haben aus technischer Sicht Verstärkerfunktion für das Signal, das nun per Elektrode abgenommen und an die Armprothese weiter geleitet wird. Die stattfindende Muskelkontraktion ist für die Funktion der Prothese unwichtig. Die Prothese „hört“ damit jedoch die Signale des Gehirns, die über die originalen, normalerweise den Arm versorgenden Nerven an sie gesendet werden. Jetzt muss nur noch der Minicomputer in der Prothese lernen zu verstehen, was das menschliche Gehirn eigentlich von ihm will. Es müssen also zwei Gehirne miteinander kommunizieren – das menschliche und das technische.

Dazu war ein Prothesentraining erforderlich, damit der Kunstarm interpretieren kann, welches Nervenimpulsmuster „Faust schließen“ bedeutet und welches „Ellenbogen beugen“. Kandlbauer wiederum musste in einem Rehabilitationsprogramm lernen, immer gleiche Impulsmuster zu generieren. Mit der Zeit sei für die Bewegungen immer weniger Konzentration vonnöten, sagt Egger und vergleicht dies mit dem Autofahren: Anfangs muss man noch nachdenken, welches Pedal zu treten und in welchen Gang zu schalten ist, später verläuft das automatisiert. Ist Kandlbauers rechte Armprothese bestenfalls ein nützliches, aber umständlich zu bedienendes Hilfsmittel, hat er die linke inzwischen bis zu einem gewissen Grade in sein Körperschema integriert und ist einer intuitiv ausgelösten Armbewegung einen großen Schritt näher gekommen.

Doch damit nicht genug. Bei den Nerventransfers hat Chirurg Oskar Aszmann zugleich dafür gesorgt, dass die übliche Sensorik der Hand sich nun auf die Schulter projiziert, sich für den Patienten also zum Beispiel wie eine echte Handberührung anfühlt. „Wenn sie dem Patienten jetzt auf die Schulter klopfen, klopfen Sie ihm auf die Hand“, sagt Aszmann. Die neueste Version des Cyber-Arms enthält Sensoren am Prothesenzeigefinger, die Informationen wie „heiß/kalt“, „rau/glatt“ sowie Druckempfindungen mit Hilfe so genannter Aktuatoren auf diese sensorischen Areale an der Schulter übertragen kann. Kandlbauer erhält nun also auch ein sensorisches Feedback, was vor allem in Bezug auf die Dosierung der Griffkraft von Vorteil ist.
Prothesen schnell angezogen

Inzwischen ist die Prothese nach Unternehmensangaben marktreif. Stundenlanges Verkabeln der Schulter ist nicht mehr nötig, die Elektroden sind in den Schaft der Prothese integriert. Kandlbauer kann beide Armprothesen ohne Hilfe innerhalb von etwa zwei Minuten anlegen. „Er schlüpft morgens in die Prothesen wie in ein Sakko“, sagt Egger. Er kann sich selbst Frühstück zubereiten. Dann setzt sich Kandlbauer in sein eigens umgebautes Auto und fährt zur Arbeit.

Die fühlende Kunsthand

Im Zeigefinger der Arm-/Handprothese haben Techniker des Unternehmens Otto Bock Sensoren untergebracht, die Druck, Temperatur und Vibration erkennen und über ein elektronisches Regelsystem weiterleiten können. Der Österreicher Christian Kandlbauer, der beide Arme bei einem Stromunfall verloren hat, kann diese Qualitäten an seiner virtuellen Hand wahrnehmen. Dazu haben Oskar Aszmann vom Universitätshospital Wien und seine Kollegen die für die Schulterregion zuständigen sensiblen Nervenfasern rückenmarksnah an eine bestimmte Nervenwurzel im Bereich der Halswirbelsäule angelagert.

Diese Nervenwurzel ist verantwortlich für Gefühlswahrnehmungen am Daumen, am Zeigefinger und der Handfläche. Somit wurde nach abgeschlossenem Nervenwachstum eine sensible Verbindung zwischen der Schulter und jenen Gehirnregionen geschaffen, die diese Handareale präsentieren.

Bereits nach sechs Monaten hat Kandlbauer seinen Daumen, Zeigefinger und die Handfläche bei Berührung der Schulter gespürt. Im Frühjahr 2009 ist die Sensorik genau analysiert und vermessen worden. Mit einem elektrothermischen Wandler (Peltier-Element) an der Schulter kann er bei entsprechendem Signal aus dem Prothesenfinger daher „warm“ oder „kalt“ wahrnehmen, über ein Stempelelement Druck und über einen Beschleunigungssensor Vibrationen. Für den Alltag am Wichtigsten ist ein Feedback über die Griffkraft (Drucksensorik) und die Vibrationssensorik, mit der zum Beispiel Relativbewegungen zwischen Hand und Objektoberfläche registriert werden können. TM

erschienen in: „Tages-Anzeiger“ (Zürich) vom 9. Januar 2010