Roboterbeinprothese hilft beim Halten des Gleichgewichts
Menschen mit Beinprothesen können bei äußeren Störungen schwieriger ihr Gleichgewicht halten. Eine nervengesteuerte Roboterprothese kann ihnen helfen.
(Bild: Aaron Fleming)
Ein Team von Wissenschaftlern der North Carolina State University und der University of North Carolina haben eine robotergestützte Knöchelprothese entwickelt, die über elektromyografische Signale (EMG) der Muskeln gesteuert wird. Die Prothese kann Menschen mit Beinamputationen dabei helfen, stabiler zu gehen und zu stehen.
Ziel der Wissenschaftler der Studie "Neural Prosthesis Control Restores Near-Normative Neuromechanics in Standing Postural Control", die in Science Robotics veröffentlicht ist, war es, die Haltungskontrolle von beinamputierten Menschen zu verbessern.
"Im Grunde genommen nimmt unser Körper, wenn wir stillstehen, ständig Anpassungen vor, um uns stabil zu halten. Wenn uns zum Beispiel jemand anrempelt, während wir in einer Schlange stehen, machen unsere Beine eine Vielzahl von Bewegungen, derer wir uns nicht einmal unbedingt bewusst sind, um uns aufrecht zu halten", sagt Helen Huang, Professorin für Biomedizintechnik und Hauptautorin der Studie.
Damit haben Menschen, deren Gliedmaßen amputiert wurden, oft große Probleme. Für sie ist es eine große Herausforderung, eine gute Stabilität beim Gehen und Stehen zu erreichen. Um hier Abhilfe zu schaffen, setzen die Wissenschaftler ein Prototyp einer motorisierten, robotischen Knöchelprothese ein. Fünf Personen, die an einem Bein unterhalb des Knies amputiert waren, stellten sich als Probanden für die Studie zur Verfügung.
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Sie wurden mit der Roboterprothese ausgestattet, die auf EMG-Signale reagieren kann. Dazu werden über den Muskeln an der Amputationsstelle Sensoren angebracht. Sobald ein Studienteilnehmer daran denkt, die amputierte Gliedmaße zu bewegen, werden elektrische Signale durch den Restmuskel der unteren Gliedmaße geschickt. Die Sensoren nehmen diese Signale über die Haut auf. Danach werden sie in Befehle für die Bewegung der Prothese übersetzt.
Gleichgewicht wiederherstellen
Zunächst mussten die Probanden an einem Training mit den Prototypen der Prothese teilnehmen, um sich mit der Technik vertraut zu machen. Danach wurden sie mit einem mechanischen System einer kontrollierten und reproduzierbaren Störung von außen ausgesetzt, die die Studienteilnehmer aus dem Gleichgewicht bringen sollte. Sie sollten dann diese Störung abfangen und das Gleichgewicht wiederherstellen. Die Wissenschaftler ließen die Probanden auf die Störung mit der EMG-Prothese und der herkömmlich von den Studienteilnehmern verwendeten Prothese reagieren.
"Wir haben festgestellt, dass die Studienteilnehmer mit dem Roboterprototyp deutlich stabiler waren", sagt Aaron Fleming, Doktorand und Mitautor der Studie. "Sie stolperten oder fielen weniger häufig."
Die Roboterprothese half den Probanden dabei, ihre Haltungskontrolle wiederzuerlangen. "Bei Menschen mit intakten unteren Gliedmaßen beginnt die Haltungsstabilität am Knöchel. Menschen, die ihre untere Gliedmaße verloren haben, müssen normalerweise die fehlende Kontrolle über den Knöchel kompensieren. Wir haben herausgefunden, dass der Roboterknöchel, der auf EMG-Signale reagiert, es den Nutzern ermöglicht, zu ihrer instinktiven Reaktion zur Aufrechterhaltung der Stabilität zurückzukehren", sagt Huang.
Die Forschenden erweiterten die Studie und baten die Probanden mit ihrer normalen Prothese sowie mit der Roboterprothese hin- und herzuwippen. Dabei wurde die Muskelaktivität des gesamten Unterkörpers gemessen. Dabei fanden die Wissenschaftler heraus, dass die Muskelaktivität im Unterkörper bei den verschiedenen Prothesen jeweils unterschiedlich ausfiel. Bei Verwendung der Prothese ähnelte das Muskelaktivitätsmuster denen von Menschen, die intakte Gliedmaßen haben. Die Forscher schließen daraus, dass die Roboterprothese das Verhalten des Knöchels so nachahmen kann, dass das normale neuronale Muster bei den Probanden zurückkehren konnte. Das deute darauf hin, dass Menschen die Prothese auch intuitiv anwenden können.
Die Forscher führen nun eine größere Studie mit mehr Menschen durch, um die Thesen auf breiterer Basis zu verifizieren. Sie wollen dadurch auch herausfinden, welche Personen von der Technik am meisten profitieren können.
(olb)