Myoplant – Implantat für bionische Handprothese

Im Projekt »Myoplant« steht die Vorbereitung der Anwendung einer bionischen, also dem menschlichen Vorbild nachgeahmten, Handprothese im Mittelpunkt. Die Komplexität der Bewegungen einer Handprothese steigt mit den Anforderungen an die Bedienung und die Informationsschnittstelle zur Steuerung der Prothese. Idealer Weise sollte eine Prothese intuitiv, d. h. ohne großen Lernaufwand durch ihren Träger, zu bedienen sein.

Die Prothese im Projekt »Myoplant« soll auf der Grundlage eines myogen-gesteuerten intelligenten Implantates, d. h. über Muskelsignale erfolgen. Das Fraunhofer IBMT entwickelt die biologisch-technischen Schnittstellen einschließlich der Technologien und Prozesse zur Fertigung und Evaluation des Mikroimplantats sowie die Kommunikation mit dem Implantat und die telemetrische Energieversorgung.

Die Hand ist der wichtigste Teil des menschlichen Bewegungsapparats. Sie verfügt über 22 Freiheitsgrade und kann bei einem Gewicht von nur 400 g und einem Volumen von 50 cm³ eine Griffkraft von mehr als 500 N entwickeln. Die Zahl der Sensoren beträgt 17 000, einschließlich der Sensoren für Position, Bewegung, Kraft, Druck, Beschleunigung, Temperatur und Schmerz. Daher stellt der Verlust der Extremität immer ein dramatisches Ereignis für die betroffene Person dar. Um dies weitgehend zu kompensieren, müssen neben den funktionellen auch kosmetische Aspekte in Betracht gezogen werden.

So ist es den Prothesenträgern besonders wichtig, dass die künstliche Gliedmaße möglichst naturgetreu nachgebildet wird, um unauffällig am alltäglichen Leben teilnehmen zu können. Für die Akzeptanz einer Prothese ist aber auch die Funktionalität entscheidend. Neben rein motorischen Aspekten, der Wiederherstellung unterschiedlicher Griffe, werden zunehmend immer höhere Erwartungen auch an die Sensorik gestellt. Hält ein Betroffener beispielsweise eine Tasse mit heißem Kaffee in der Hand, so sind Informationen über die Griffkraft, Oberflächenbeschaffenheit, Gewicht und Temperatur für ihn interessant. Dies erfordert die Integration von Aktuatoren und Sensoren in die Prothese aber auch die Schaffung einer bidirektionalen Schnittstelle zwischen dem biologischen und technischen System.


Ausgangslage

Derzeitiger Stand der Technik bei myoelektrischen Handprothesen ist die sequenzielle Ansteuerung einzelner Prothesenbewegungen. Aufwärts- und Einwärtsdrehungen des Handgelenks können beispielsweise über dasselbe Steuersignal nur nach einem Öffnen oder Schließen der Hand durchgeführt werden. Das Umschalten zwischen den beiden Bewegungsmodi erfolgt über eine Co-Kontraktion oder über einen Schalter. Die für die Steuerung eingesetzten Muskelaktivitäten werden mittels Oberflächenelektroden erfasst. Ein sensorisches Feedback ist derzeit nicht möglich.

Projektziele

Das Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines bionischen Handprothesensystems auf der Basis eines myogen-gesteuerten intelligenten Implantats zur wesentlichen Steigerung der Funktionalität und des Tragekomforts der Prothesen. Dies soll zum einen durch die Bereitstellung komplexer Bewegungsabläufe der künstlichen Gliedmaße und zum anderen durch die Ermöglichung einer multifunktionalen intuitiven Steuerung erreicht werden. Dieses System soll der Erfassung, Vorverarbeitung und Übertragung von Signalen dienen, welche die Handprothese steuern sollen.

Das Implantat wird kabellos mit Energie versorgt und die Kommunikation mittels transkutaner Schnittstelle realisiert. Die erforderlichen Schlüsselkomponenten dienen dem Erreichen einer bestmöglichen Funktionsfähigkeit unter mittelfristigen Lösungen notwendiger technologischer Fragestellungen der Mikrosystemtechnik bei der Fertigung von intelligenten Implantaten.

Das Gesamtsystem soll aus folgenden Komponenten bestehen:

  • Implantierbare flexible Mikroelektroden für die invasive Erfassung myogener Aktivitäten
  • Signalaufbereitung und Signalvorverarbeitung
  • Telemetriemodul zur kabellosen Signalübertragung
  • induktive Energieübertragung
  • Mustererkennung und Klassifizierung der Signale
  • Signalverarbeitung und Erkennung der gewünschten Handbewegung
  • Prothesensteuerung
  • die eigentliche Handprothese
  • Oberflächenelektroden für das sensorische Feedback

 

Für die Entwicklung und den Aufbau der bionischen Handprothese werden von den Projektpartnern innerhalb von Myoplant folgende Aufgaben übernommen:

  • Otto Bock HealthCare GmbH
    Mustererkennung und Signalverarbeitung, Bereitstellung Armprothese, Adaption der Prothese an die Telemetrieschnittstelle, Integration von Sensoren in die Prothese, Energieversorgung der Prothese, Systemintegration, Systemevaluierung, sensorisches Feedback
  • Werner-Wicker-Klinik
    Medizinische Evaluierung der Sub-Systeme und des Gesamtsystems, Entwicklung der Implantationsmethode, Implantation am Tiermodell.
  • Deutsches Primatenzentrum
    Vorbereitung, Betreuung und Auswertung der Experimente am Tiermodell.
  • Technische Universität Hamburg-Harburg
    Entwicklung und Programmierung der hochintegrierten Implantatelektronik.
  • Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik
    Mikosystemtechnische Schnittstelle zur Ableitung von myogenen Signalen am Tiermodell, Kapselung, Telemetrieschnittstelle des Implantats, kabellose Energieversorgung des Implantats, Oberflächenelektroden zur Stimulation der Haut.

 

Förderung: 16SV3697
Förderzeitraum: 08/2008 – 06/2011

Das entwickelte Myoplant-Gesamtsystem wurde über mehrere Wochen im Tiermodell erfolgreich eingesetzt und die gesamte Übertragungsstrecke evaluiert. Am Deutschen Primatenzentrum wurden die Mikroelektroden epimysial auf Trizeps, Bizeps und Deltoideus eines Rhesus-Makaken implantiert. Das Implantatmodul wurde im Schulterbereich positioniert. Die Energieversorgung erfolgt ohne Energiepufferung mit einem induktiven Link von außen.

Die vierkanalig erfassten myogenen Signale werden von der Implantatelektronik vorverarbeitet und über eine Funkschnittstelle zu einer extrakorporalen Basisstation versendet. Dort findet die Kanaltrennung und Datenanalyse statt. Die so aufbereiteten Daten sollen nach einer Signalklassifizierung hochselektive Steuerbefehle für die bionische Handprothese generieren.