Smarte Handprothesensteuerung bewährt sich im Alltag

Jörg Othmer testet die Prothesensteuerung alltagsnah und in schwierigen Armpositionen. (Foto: Universitätsmedizin Göttingen, UMG)

Bei der Versorgung von Amputationen an der oberen Extremität sind motorisierte Handprothesen heute Stand der Technik. Bislang ist mit ihrer Hilfe allerdings nur die Steuerung einer einzelnen Funktion zur gleichen Zeit möglich: Die Prothese konnte entweder geöffnet oder gedreht werden. Beides gleichzeitig, wie von gesunden Händen gewohnt, war bislang nicht möglich. Eine neue Handprothesensteuerung soll das nun ändern.

Forscher der Arbeitsgruppe „Applied Rehabilitation Technology Lab (ART-Lab)“  an der Klinik für Unfallchirurgie, Orthopädie und Plastische Chirurgie der Universitätsmedizin Göttingen (UMG) in Kooperation mit Prof. Dario Farina vom Imperial College London haben dazu ein innovatives Verfahren zu entwickelt. Es erlaubt es, mehrere Funktionen der Hand (beispielsweise Öffnen und Drehen) gleichzeitig und unabhängig voneinander zu benutzen. Nun wurde das Verfahren erstmals im Alltag getestet. Einer der Anwender des neuen Prothesenverfahrens, Jörg Othmer, sagt: „Für mein Gehirn ist das neue Verfahren wie Weihnachten und Ostern an einem Tag. Ich kann jetzt zwei Dinge auf einmal machen. Das System lernt für mich und macht, was ich möchte. Es dient mir sozusagen. Das bringt mir eine neue Lebensqualität.“

Simultane Handprothesensteuerung

Bei dem neuen Verfahren werden die schwachen elektrischen Signale der Muskulatur im Armstumpf von acht im Prothesenschaft integrierten Elektroden aufgenommen. Diese Signale werden verstärkt und dann an einen Mini-Computer geschickt, der ebenfalls im Schaft integriert ist. Im Computer interpretiert ein Algorithmus des maschinellen Lernens die Signale. Er wurde vor dem Einsatz auf den jeweiligen Patienten trainiert. Aus den acht Signalen kann er daher die Absicht des Patienten ableiten und entsprechende Steuersignale an die Prothesenmotoren schicken. Der neu entwickelte Prototyp erkennt dabei nicht nur die Art der Funktion, sondern auch die vom Patienten gewünschte Geschwindigkeit der Bewegung. Das funktioniert unabhängig für jede der beteiligten Funktionen. Deshalb ist es beispielsweise möglich, die Hand langsam zu drehen und gleichzeitig schnell zu öffnen.

Die Forscher haben eine Studie zu ihrer Arbeit erstellt und im Wissenschaftsmagazin Science Robotics veröffentlicht. Sie zeigt die Zuverlässigkeit und Überlegenheit der neuen, auf maschinellem Lernen beruhenden Steuerung gegenüber konventionellen Steuerungsverfahren. Eine weitere, zweimonatige Evaluierungsphase im normalen Umfeld eines Anwenders belegt zudem die Alltagstauglichkeit dieses Verfahrens.

„Das neue Verfahren ist ein wichtiger Schritt in die richtige Richtung“, sagt Erstautor Dr. Janne Hahne vom Applied Rehabilitation Technology Lab (ART-Lab) der Klinik für Unfallchirurgie, Orthopädie und Plastische Chirurgie der UMG. Es eröffnet den Patienten neue Bewegungsoptionen, die ihnen den Alltag deutlich erleichtern und ein verbessertes Lebensgefühl verschaffen können. Bisherige Ansätze mit maschinellem Lernen waren häufig nicht zuverlässig. So führte zum Beispiel eine Änderung der Armposition, etwa beim Greifen eines Objekts über Kopfhöhe, dazu, dass sich die Signalmuster änderten. Dabei kam es zu Fehlsteuerungen. Auch andere Einflüsse, beispielsweise das Neuanlegen des Schaftes oder sich ändernde Hauteigenschaften, können die Zuverlässigkeit beeinträchtigen. Dies könnte ein häufiges Neutrainieren des Algorithmus erforderlich machen, was die Akzeptanz bei den Nutzern deutlich reduzieren würde.

Zuverlässigkeit belegt

Im Rahmen ihrer Studie haben die Wissenschaftler die Zuverlässigkeit ihres Verfahren an fünf Personen mit Amputation oder angeborener Fehlbildung im Unterarmbereich getestet. Der Einfluss der Armposition war dabei überraschend gering und die Steuerung blieb auch ohne Nachtrainieren des Algorithmus über mehrere Tage stabil. Im direkten Vergleich war diese Steuerung den konventionellen Verfahren klar überlegen.  Darüber hinaus konnte das  Göttinger Forscherteam um Prof. Dr. Arndt Schilling, Leiter des ART-Labs in der Klinik für Unfallchirurgie, Orthopädie und Plastische Chirurgie der UMG, die Alltagstauglichkeit ihrer Steuerung in einer Langzeitstudie testen. Zwei Monate musste sich die Prothese im normalen Alltag bewähren. Dabei blieb die Steuerung nicht nur stabil, ohne dass ein Nachtrainieren erforderlich war. Durch die zunehmende Übung mit der neuen Steuerung verbesserte sich die Performance sogar weiter. Durchgeführt wurde die Studie im Rahmen des Projekts INOPRO, einem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördertes Verbundprojekt zur Entwicklung intelligenter Prothesen und Orthesen. Ziel ist es, technische Hilfsmittel zu entwickeln, die sich synergetisch dem Bewegungsapparat des Menschen und seinen Fähigkeiten anpassen, um damit die Lebensqualität zu erhöhen.