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Mehr zum Thema / Mario Wasserfaller / Donnerstag 08.04.21

Die Welt wie­der begreif­bar machen

Bei der Ent­wick­lung von Pro­the­sen kommt der bio­ni­sche Gedan­ke in sei­ner urei­gens­ten Form zur Gel­tung, die­nen doch die mensch­li­chen Glied­ma­ßen nicht nur als Inspi­ra­ti­on für ihr tech­ni­sches Pen­dant, son­dern als fast uner­reich­ba­res Ideal. 
Foto: Oskar Aszmann

Ähn­lich wie in Archi­tek­tur, Mate­ri­al­for­schung oder Robo­tik muss auch in Medi­zin und Medi­zin­tech­nik nicht immer “Bio­nik” drauf­ste­hen, wo die Natur für tech­ni­sche Lösun­gen nach­ge­ahmt wur­de. “In Medi­zin­tech­ni­ker­krei­sen kommt der Begriff sehr sel­ten vor. Bio­nik ist hier eher ein Mark­t­ing- und Medi­en­be­griff”, sagt etwa Johan­nes Mar­ti­nek, der an der Fach­hoch­schu­le (FH) Tech­ni­kum Wien die Stu­di­en­gän­ge Bio­me­di­cal Engi­nee­ring sowie Gesund­heits- und Reha­bi­li­ta­ti­ons­tech­nik leitet.

In der Medi­zin­tech­nik lie­ge der For­schungs­fo­kus dabei vor allem auf der Tech­nik-Mensch-Schnitt­stel­le, und hier spe­zi­ell auf High­tech-Pro­the­sen. Man dür­fe in die­sem Kon­text aber auch nicht auf Coch­lea-Implan­ta­te, künst­li­che Bauch­spei­chel­drü­sen und sons­ti­ge Tech­no­lo­gien ver­ges­sen, die mensch­li­chen Kör­per­tei­len oder ‑funk­tio­nen nach­emp­fun­den sind (sie­he auch “Bio­lo­gi­sche Kleb­stof­fe als Vor­la­ge für umwelt­freund­li­che Super­kle­ber”), so Martinek.

Pro­fes­sor für „Bio­ni­sche Rekonstruktion”

Zwei­fels­frei “bio­nisch” ist die Arbeit des Chir­ur­gen Oskar Asz­mann, hat er doch erst im Herbst 2020 die Pro­fes­sur für “Bio­ni­sche Rekon­struk­ti­on” an der Medi­zi­ni­schen Uni­ver­si­tät Wien über­nom­men. Der renom­mier­te Exper­te lei­tet dort das kli­ni­sche Labor für Wie­der­her­stel­lung von Extremitätenfunktionen.

Steck­brief Oskar Aszmann 

Nach einem Aus­flug in die Grund­la­gen der Bio­lo­gie und Phi­lo­so­phie stu­dier­te Oskar Asz­mann Human­me­di­zin in Wien und wur­de 2004 zum Pro­fes­sor für Plas­ti­sche und Rekon­struk­ti­ve Chir­ur­gie an der Medi­zi­ni­schen Uni­ver­si­tät Wien mit beson­de­rer Berück­sich­ti­gung der Ner­ven- und Extre­mi­tä­ten­re­kon­struk­ti­on beru­fen. Seit­dem lei­te­te er die Spe­zi­al­am­bu­lanz für Ner­ven­re­kon­struk­ti­on, von 2012 bis 2019 das Chris­ti­an Dopp­ler Labor für Wie­der­her­stel­lung von Extre­mi­tä­ten­funk­tio­nen an der Med­Uni, und eröff­ne­te im Juni 2019 das kli­ni­sche Labor für Bio­ni­sche Extremitätenrekonstruktion.

 

Inter­na­tio­na­le Bekannt­heit erlang­te Asz­mann, als er 2011 dem jun­gen Elek­tri­ker Patrick Mayr­ho­fer, der sich bei einem Strom­un­fall schwe­re Ver­let­zun­gen zuge­zo­gen hat­te, die welt­weit ers­te bio­ni­sche Hand ver­pflanz­te. Seit­her ent­wi­ckel­ten er und sein Team die Tech­nik suk­zes­si­ve wei­ter. 2015 waren drei öster­rei­chi­sche Pati­en­ten die ers­ten Per­so­nen über­haupt, die nach schwers­ten Ner­ven­ver­let­zun­gen eine gedan­ken­ge­steu­er­te Hand­pro­the­se erhiel­ten (Publi­ka­ti­on in “The Lan­cet”: http://​go​.apa​.at/​e​P​f​O​g​D9V).

 

2019 erhielt Asz­mann gemein­sam mit zwei Kol­le­gen für das Koope­ra­ti­ons­pro­jekt „Natu­ral Bio­nicS“ einen mit zehn Mio. Euro dotier­ten „Syn­er­gy Grant” des Euro­päi­schen For­schungs­rats (ERC). Ziel des Pro­jekts ist es, Pati­en­ten, die eine ihrer Extre­mi­tä­ten ver­lo­ren haben, mit einem neu­en Kon­zept zu behan­deln. Sie sol­len ihre Pro­the­se als natür­li­chen Teil des Kör­pers emp­fin­den. Dafür sol­len Ner­ven­si­gna­le zur Steue­rung einer wei­chen Pro­the­se nach dem „Soft Robotics”-Prinzip her­an­ge­zo­gen wer­den und eine natür­li­che, intui­ti­ve Inter­ak­ti­on mit der Umwelt ermöglichen.

 

2020 gelang Asz­mann und Team in Koope­ra­ti­on mit dem Mas­sa­chu­setts Insti­tu­te of Tech­no­lo­gy (USA) und der Uni­ver­si­tät Göte­borg (Schwe­den) die Ent­wick­lung der welt­weit ers­ten voll inte­grier­ten bio­ni­schen Arm-Pro­the­se, die sofort – nach dem Mot­to „Plug and Play“ – ein­setz­bar ist.

Mit Hil­fe der High­tech-Pro­the­sen, die Asz­mann gemein­sam mit dem deut­schen Ortho­pä­die­tech­nik-Unter­neh­men Otto­bock ent­wi­ckelt, kön­nen Unfall­op­fer und Schlag­an­fall­pa­ti­en­ten wie­der grei­fen, Gegen­stän­de hal­ten und tra­gen. „Den Pati­en­ten so vor­be­rei­ten, dass er mit einer moder­nern tech­no­lo­gi­schen Anla­ge best­mög­lich kom­mu­ni­zie­ren kann”, erklär­te der Exper­te im Gespräch mit APA-Sci­ence sei­ne Defi­ni­ti­on einer bio­ni­schen Hand.

Myo­elek­tri­sche Hand- bzw. Arm­pro­the­sen, die über Mus­kel­im­pul­se gesteu­ert wer­den, gibt es seit Jahr­zehn­ten. Die Sen­so­ren zur Steue­rung lie­gen dabei nor­ma­ler­wei­se auf der Haut auf, dadurch kön­nen Schweiß und Bewe­gung die Funk­ti­on beein­träch­ti­gen. Bei gedan­ken­ge­steu­er­ten bio­ni­schen Pro­the­sen dage­gen wer­den Ner­ven für die Steue­rung der Pro­the­se chir­ur­gisch umge­lei­tet. “Der gro­ße Inno­va­ti­ons­schub grün­det sich dar­auf, dass wir Ner­ven ver­le­gen und Signal­ebe­nen schaf­fen kön­nen, die einem Pati­en­ten, der zum Bei­spiel einen gan­zen Arm oder auf Ober­arm­hö­he ver­lo­ren hat, eine Spiel­wie­se eröff­net, die es vor zehn oder 15 Jah­ren nicht gege­ben hat”, so Asz­mann, und prä­zi­siert: “Wir ver­su­chen die Bio­si­gna­le auf die­ser Ebe­ne noch in grö­ße­rem Detail ent­schlüs­seln zu kön­nen, um eine deut­lich bes­se­re Hand­ha­bung eines mecha­tro­ni­schen End­ge­rä­tes zu ermöglichen.”

Will ein Mensch eine Hand oder einen Fuß bewe­gen, ent­steht zunächst in der Groß­hirn­rin­de ein gro­bes Mus­ter der aus­zu­füh­ren­den Bewe­gung. Die­ses extrem schnell getak­te­te Reflex­mus­ter wird bis zur Umset­zung in der Glied­ma­ße immer wei­ter aus­de­fi­niert und aus­de­kli­niert, so der Exper­te: “Die­se Aus­de­fi­nie­rung hat damit zu tun, dass wir als höchs­tes Prin­zip nicht aus dem Gleich­ge­wicht kom­men dür­fen, weil sonst wür­den wir bei jeder Bewe­gung auf die Nase fal­len.” Damit das nicht pas­siert, wer­den stän­dig Daten mit einer hohen Fre­quenz zwi­schen Gehirn und Glied­ma­ße aus­ge­tauscht bzw. „upge­da­tet”.

Bio­ni­sche Armprothesen

Oskar Asz­mann erklärt einem Pati­en­ten die Funk­ti­ons­wei­se sei­ner Prothese

Sie erlaubt es, auch fein­mo­to­risch anspruchs­vol­le Hand­grif­fe auszuführen…

…und gibt dem Trä­ger ein hohes Grad an „Embo­di­ment”

Sen­so­mo­to­ri­sche Schnittstellen

Beim Ver­lust eines Arms gehe es dar­um, eine sen­so­mo­to­ri­sche Schnitt­stel­le im Stumpf zu instal­lie­ren, die die Hand dar­stellt. “Das ist dann mehr oder weni­ger das Nach­bil­den des­sen, was wir bio­lo­gisch vor­fin­den, also im engs­ten Sinn des Wor­tes ein bio­ni­sches Kon­zept – das Nach­bau­en von bio­lo­gi­schen Phä­no­me­nen.” Die Schnitt­stel­le im Stumpf muss dabei so orga­ni­siert sein, kleins­te Ner­ven­si­gna­le im Bereich von Nano­volt able­sen zu können.

Ähn­lich wie der US-Bio­phy­si­ker Hugh Herr vom Mas­sa­chu­setts Insti­tu­te of Tech­no­lo­gy (MIT) ver­folgt das Team um Asz­mann den Ansatz, sowohl für sen­si­ble als auch moto­ri­sche Rei­ze eine Ober­flä­che zu bie­ten, die für die mecha­tro­ni­sche Steue­rung genutzt wer­den kann. “Der gro­ße Knack­punkt ist letzt­lich, dass wir die­se Signa­le nicht in aus­rei­chend kla­rer Form von der Ober­flä­che abhö­ren kön­nen, son­dern da müs­sen wir tat­säch­lich dort hin­ge­hen wo das Signal ent­steht – und das ist natür­lich im Mus­kel selbst. Das ist ein wesent­li­cher Punkt unse­rer For­schungs­ar­beit – und dass wir an implan­tier­ba­rer Tech­no­lo­gie dran sind und ein High-Fide­li­ty-Signal draht­los aus dem Kör­per in die Maschi­ne hin­ein­zu­be­kom­men.” Denkt man die­ses Kon­zept der draht­lo­sen Steue­rung wei­ter, könn­te man künf­tig für die Steue­rung von Gerä­ten auch auf die Hand ver­zich­ten, ist sich Asz­mann sicher: “Das kann zum Bei­spiel hei­ßen, dass jemand der im Roll­stuhl sitzt, mit­tels Bio­si­gna­len – ohne dass er eine Hand hat – etwa ein Auto steu­ern kann. Oder wenn ein Mensch mit sei­nem Smart­pho­ne kom­mu­ni­zie­ren kann, ohne sei­ne Hand, aber über wel­che Schnitt­stel­le auch immer, dann ist dem natür­lich immens geholfen.”

Bei allen Mög­lich­kei­ten, die bio­ni­sche Glied­ma­ßen bereits bie­ten oder noch bie­ten wer­den, gibt es auch Gren­zen. Ob Kla­vier spie­len, einen Baum fäl­len oder eine Flie­ge auf der Fin­ger­spit­ze wahr­neh­men: die mensch­li­che Hand ist in der Band­brei­te ihrer Fähig­kei­ten unüber­trof­fen. Und doch sei der Grad des Embo­di­ments, also gewis­ser­ma­ßen die Inte­gra­ti­on der Pro­the­se in das eige­ne Kör­per­bild, bei bio­ni­schen Hän­den sehr hoch, ver­si­chert Asz­mann. Das sei auch ein Ziel hin­ter dem “Plug and Play”-Prinzip via Dreh­ver­schluss, das er mit sei­nem Team ent­wi­ckelt hat: “Ent­schei­dend für das Embo­di­ment ist, dass wir die moder­nen Pro­the­sen direkt am Ske­lett­sys­tem anbin­den. Das heißt, dass wir zum Bei­spiel ein Titan­im­plan­tat direkt in den gro­ßen Kno­chen­raum ein­brin­gen und dann die Pro­the­se mit­tels eines Bajo­nett­ver­schlus­ses dort anstecken.”

Das hier dargestellte System erlaubt erstmalig die bidirektionale Übertragung von Biosignalen in eine prothetische Hand. Dies wird durch einen nervenchirurgischen Eingriff ermöglicht, der sowohl Muskelsignale als auch Nervensignale ableitet und über ein speziell angefertigtes Titanimplantat an die Prothese überleitet.
“Plug and Play” mit geschlos­se­nem Regelkreis

 

Vor­teil und die Welt­neu­heit die­ses Sys­tems sei es, dass alle Kom­po­nen­ten direkt am ampu­tier­ten Kör­per­teil mit einem geschlos­se­nen Regel­kreis implan­tiert wer­den. Die Infor­ma­tio­nen lau­fen also in die Pro­the­se und von dort wie­der zurück ins Gehirn. Anläss­lich der Pre­mie­re des Sys­tems im April 2020 sag­te Asz­mann: „Die Signal­über­tra­gung von der Pro­the­se in den Stumpf und über beson­de­re Ner­ven­schnitt­stel­len wei­ter zum Hirn des Betrof­fe­nen ist so detail­liert, dass der Pati­ent zum Bei­spiel ein­zel­ne Fin­ger der Pro­the­se in Echt­zeit wahr­neh­men kann.”

 

Dafür wer­den Sen­so­ren, wel­che in einer Pro­the­se von Otto­bock mit dies­be­züg­li­chem gro­ßen For­schungs- und Pro­duk­ti­ons­stand­ort in Wien inte­griert sind, direkt mit den ent­spre­chen­den Ner­ven­bah­nen gekop­pelt, sodass ein bedie­ner­freund­li­ches „Plug and Play” Sys­tem geschaf­fen wur­de, sag­te Asz­mann. Bei bis­he­ri­gen bio­ni­schen Rekon­struk­tio­nen ist teil­wei­se wochen- oder mona­te­lan­ge Trai­ning nötig, um eine Pro­the­se rich­tig ein­set­zen zu kön­nen. Vor dem Ein­satz der Pro­the­se bedarf es eines rund sechs- bis acht­stün­di­gen chir­ur­gi­schen Ein­griffs. Dabei wird ein Titan­im­plan­tat in den Kno­chen am Ober­arm ein­ge­setzt, im sel­ben Ein­griff wer­den die Ner­ven so „ver­ka­belt”, dass die Signa­le sozu­sa­gen direkt in der Pro­the­se ankom­men und von dort wie­der rück­ge­lei­tet wer­den. Die Bat­te­rie steckt direkt in der Pro­the­se, die am Abend ein­fach abge­nom­men und auf­ge­la­den wer­den kann.

Künst­li­che Intelligenz

Damit die Bewe­gun­gen, an die der Mensch denkt, früh­zei­tig erkannt und umge­setzt wer­den, kommt bei den Otto­bock-Pro­the­sen Künst­li­che Intel­li­genz (KI) ins Spiel: “Das heißt, Sie den­ken an eine Faust und es wird ein geo­me­tri­sches Mus­ter erstellt. Der für die Bewe­gung hin­ter­leg­te Algo­rith­mus erkennt das und schickt das Signal auto­ma­tisch an die Pro­the­se.” Das erlau­be eine gro­ße Palet­te an Steue­rungs­mög­lich­kei­ten, wenn auch nicht unbe­grenzt. “Der Nach­teil ist auch ganz klar, dass die KI inter­pre­tiert und Ihnen Sachen aus der Hand nimmt, die Sie viel­leicht in letz­ter Kon­se­quenz gar nicht wol­len. Das ist ja das gro­ße Pro­blem bei jeder Art von KI, dass das Gan­ze nur dann Sinn macht, wenn der Erkenn­al­go­rith­mus zu fast 100 Pro­zent – ganz 100 Pro­zent wird es nie geben – das ermög­licht”, sagt Aszmann.

Wohin die Rei­se geht

Auch nach lan­gen Jah­ren als rekon­struk­ti­ver Chir­urg und Mit­ent­wick­ler von moderns­ten High­tech-Pro­the­sen hat der Exper­te das Stau­nen über den mensch­li­chen Kör­per nicht ver­lernt. “Die Art und Wei­se, wie unser neu­ro­mus­ku­lä­res Sys­tem lernt, ver­ar­bei­tet und rigo­ros funk­tio­niert, und das über lan­ge Stre­cken, ist erstaun­lich. Neu­ro­mus­ku­lä­res Ler­nen – und da habe ich lan­ge gebraucht, bis ich das ver­stan­den habe – ist eigent­lich ein sen­so­ri­sches Phä­no­men. In letz­ter Kon­se­quenz ist es der Mus­kel, der etwas bewegt.”

Das bio­lo­gi­sche Sys­tem hat dem künst­li­chen vor allem beim Zeit­fak­tor eini­ges vor­aus, etwa bis eine Tast­emp­fin­dung an das Gehirn gemel­det wird. Nimmt ein Mensch ein Glas in die Hand, dau­ert die Rück­mel­dung von den Fin­ger­spit­zen ans Gehirn 30 bis 50 Mil­li­se­kun­den, bei der mecha­tro­ni­schen Vari­an­te ver­ge­hen im Schnitt 300 Mil­li­se­kun­den. “Tat­säch­lich wird das sub­jek­tiv als eine alte Infor­ma­ti­on gewer­tet. Auch wenn 300 Mil­li­se­kun­den wahn­sin­nig rasch ver­ge­hen, ist es bio­lo­gisch ein­fach um eine Null zu lang. Das ist etwas, wor­an wir arbeiten.”

Einer der Schlüs­se, die Asz­mann aus die­ser Tat­sa­che gezo­gen hat, ist, dass die sen­so­ri­sche Rück­mel­dung inner­halb eines bio­lo­gi­schen Regel­krei­ses blei­ben muss, weil der Umweg über tech­ni­sche Sys­te­me zu lan­ge dau­ert. Genau die­se Pro­ble­ma­tik ist auch der Kern­punkt des ERC-Pro­jek­tes, an dem Asz­mann gemein­sam mit Kol­le­gen des Insti­tuts für Tech­no­lo­gie in Genua (Ita­li­en) und des Impe­ri­al Col­le­ge Lon­don (Groß­bri­tan­ni­en) betei­ligt ist. Wäh­rend es noch zu früh sei, ins Detail zu gehen, sei es prin­zi­pi­ell so, “dass wir ver­su­chen, den Weg nach außen gar nicht zu gehen, son­dern dass die Pro­prio­zep­ti­on, also die Eigen­wahr­neh­mung, inner­halb des bio­lo­gi­schen Sys­tems abge­wi­ckelt wird”.

Von der kom­pli­zier­ten Tech­no­lo­gie und der enor­men Ent­wick­lungs­ar­beit dahin­ter sol­len Pati­en­tin­nen und Pati­en­ten am Ende aber so wenig wie mög­lich mit­be­kom­men: “Wir wol­len nichts kom­pli­ziert machen, son­dern nur so ein­fach, dass der Pati­ent damit zurechtkommt.”

Bio­nik für das Gehör…

Inge­borg Hoch­mair-Des­oy­er von der Tech­ni­schen Uni­ver­si­tät Wien und Erwin Hoch­mair von der Uni­ver­si­tät Inns­bruck haben ein mikro­elek­tro­ni­sches Mehr­ka­nal-Coch­lea-Implan­tat (CI) ent­wi­ckelt, das erst­mals 1977 einem Pati­en­ten in Wien ein­ge­setzt und seit­her stän­dig wei­ter­ent­wi­ckelt wur­de. Das 1990 von ihnen gegrün­de­te Unter­neh­men MED-EL in Inns­bruck hat sich seit­her zu einem inter­na­tio­nal füh­ren­den Anbie­ter von Hör­im­plan­tat­sys­te­men ent­wi­ckelt. Laut dem Unter­neh­men stel­len CI zur­zeit noch den Stan­dard zur Wie­der­her­stel­lung des Hörvermögens bei schwe­rer bis hoch­gra­di­ger Innenohrschwerhörigkeit dar. Dabei wird der geschä­dig­te Teil des mensch­li­chen Hör­ap­pa­rats umgan­gen, indem die Schall­in­for­ma­tio­nen in Form von elek­tri­schen Impul­sen direkt an den Hörnerv gesen­det wer­den. Künftig sol­len vollständig implan­tier­ba­re Coch­lea-Implan­ta­te (Total­ly Implan­ta­ble Coch­le­ar Implant – kurz TICI) neue Stan­dards auf dem Gebiet der Hörlösungen set­zen. Das TICI inte­grie­re alle inter­nen und exter­nen Kom­po­nen­ten eines Coch­lea-Implan­tats – ein­schließ­lich Audio­pro­zes­sor, Mikro­fon und Akku – in ein Sys­tem und wird unsicht­bar unter die Haut eingesetzt.

…und gegen Phantomschmerz

Men­schen, denen ein Bein ampu­tiert wur­de, lei­den häu­fig unter Phan­tom­schmer­zen. Das vom Ski­sprung­trai­ner Toni Innau­er mit­ge­grün­de­te Medi­zin­technik­un­ter­neh­men Saphen­us hat ein bio­ni­sches Feed­back­sys­tem ent­wi­ckelt, das den Phan­tom­schmerz redu­ziert, wenn nicht gar eli­mi­niert, berich­te­te vor kur­zem die For­schungs­för­de­rungs­ge­sell­schaft (FFG) in einer Aussendung.

Phan­tom­schmer­zen ent­ste­hen, wenn das Gehirn ver­sucht, sen­so­ri­sche Infor­ma­tio­nen von einer nicht mehr vor­han­de­nem Glied­ma­ße abzu­ru­fen. Weil eben kei­ne Infor­ma­tio­nen zurück­kom­men, ver­stärkt das Gehirn die Sen­si­ti­vi­tät. Gegen die­se Schmer­zen hel­fen oft nur star­ke Medi­ka­men­te wie Opi­ate. Das von Saphen­us ent­wi­ckel­te Bio­nic Feed­back Sys­tem (BFS) stellt dem Gehirn eben jene Infor­ma­tio­nen zur Ver­fü­gung, nach denen es sucht. Damit wird nicht nur der Phan­tom­schmerz gelin­dert, es erhöht sich dadurch auch die Qua­li­tät beim Gehen und Ste­hen mit Prothesen.

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