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Wie ein Wunder: Beinamputierte können ihre Prothese fühlen – und lernen schneller laufen

Erstmals spüren zwei Menschen mit Beinamputation oberhalb des Knies ihren künstlichen Fuss und ihr künstliches Bein in Echtzeit.
Bruno Knellwolf
Eine der beiden Testpersonen mit der neuartigen Hightech-Prothese. (Bild: ETH Zürich)

Eine der beiden Testpersonen mit der neuartigen Hightech-Prothese. (Bild: ETH Zürich)

Wer selbst auf zwei gesunden Beinen steht, kann sich das kaum vorstellen: Menschen mit einer Beinprothese wissen nicht, wo ihre Prothese genau steht und wie sie sich bewegt. Gesunde spüren, wenn sie ihr Knie bewegen und die Füsse den Boden berühren. Das Nervensystem nutzt dazu sensorische Rückmeldungen, um die Muskeln präzise zu steuern. Beinamputierte müssen dagegen allein auf das intakte Bein vertrauen, ihre Beweglichkeit ist eingeschränkt und sie ermüden schnell. Zudem leiden Menschen mit amputierten Gliedern oft unter Phantomschmerzen.

Nun haben die ETH Zürich und das Lausanner Start-up Sensar eine neuartige bionische Prothese mit Sensoren entwickelt, die mit den Nerven im Oberschenkel verbunden ist. Dank der dafür entwickelten Schnittstelle ist ein sensorisches Feedback möglich. Zusammen mit der Universität Belgrad testeten die Zürcher Forscher die Prothesen an zwei Freiwilligen, denen ein Bein oberhalb des Knies amputiert worden ist.

Berührungssensoren und winzige Elektroden

Die Forscher verwenden eine kommerziell erhältliche Prothese mit einem elektronischen Hightech-Kniegelenk. An der Sohle der Prothese befestigten sie Berührungssensoren und im Oberschenkel winzige Elektroden, die sie mit den dort vorhandenen Beinnerven verbanden. Das internationale Forschungsteam entwickelte Algorithmen, um die Informationen des Tastsensors an der Fusssohle sowie der Bewegungssensoren im elektronischen Kniegelenk in die Sprache des Nervensystems, das heisst in Stromimpulse, zu übersetzen. Die Elektroden leiten diese Impulse an den Nerv weiter. Von dort aus kümmert sich der Körper um den Rest und leitet die Nervensignale von der Beinprothese ans Gehirn weiter.

Mit Erfolg, die Träger konnten die Prothese wahrnehmen und ihren Gang entsprechend anpassen.

«Die beiden hatten ähnliche Empfindungen wie beim gesunden Fuss und Knie»

Das sagt Stanisa Raspopovic, Professor am Institut für Robotik und Intelligente Systeme der ETH Zürich. «Maschine und Körper wurden beinahe zu einer Einheit.»

Die Tests zeigten, dass das Gehen mit der biosensorischen Prothese weniger anstrengend ist, der Sauerstoffverbrauch wird deutlich reduziert. Mittels Messungen der Gehirnaktivität wurde zudem klar, dass sich die Probanden nicht so stark aufs Gehen konzentrieren mussten wie mit einer normalen Prothese. Während des Gehens konnten sie sich in den Tests auch mit anderen Dingen beschäftigen. Die Forscher liessen die beiden sogar über Sand gehen und auch auf dieser Unterlage gelang ihnen das deutlich schneller. Dementsprechend lobend äusserten sich die beiden Testpersonen.

Keine Phantomschmerzen mehr

Beide Probanden hatten vor den Tests über Phantomschmerzen geklagt. Die Schnittstelle zum Nervensystem kann nun auch gebraucht werden, um Nerven zu stimulieren. Das wird gegen die Phantomschmerzen eingesetzt. «Mit genau definierten elektrischen Reizen können wir fehlende oder falsche Signale des Beins simulieren. So nimmt das Gehirn die Signale als nahezu normal wahr. Das verhindert Schmerzen», erklärt Raspopovic. Die Probanden sind ihre Phantomschmerzen so losgeworden

Für diese Studie wurden die Signale von der Prothese noch über Kabel durch die Haut zu den Elektroden im Oberschenkel geleitet. «In einem nächsten Schritt wollen wir ein vollimplantierbares System entwickeln», sagt Raspopovic. «Ein kabelloses Neurostimulationsgerät, das wie ein Herzschrittmacher implantiert werden kann.»

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