19. Februar 2018

 

Die Welt

Modell Skywalker: Eine Prothese so beweglich wie eine echte Hand

Der Musiker Jason Barnes erlitt einen Stromschlag und verlor seine rechte Hand. Jetzt konnte er zum ersten Mal mithilfe einer neuartigen Prothesentechnik wieder Klavier spielen. Das Vorbild stammt aus dem „Star Wars“-Universum.

Von Katja Ridderbusch | Atlanta

Im karg möblierten Büro von Gil Weinberg erscheinen weit, weit entfernte Galaxien ganz nah. Zumindest wenn es um Medizintechnik geht. Weinberg hat eine Methode entwickelt, durch die Träger einer Handprothese deren Finger einzeln, gezielt und unabhängig voneinander bewegen können. Eine Technik, die bisher erhältlichen Handprothesen weit voraus ist. Und mit der Menschen, die eine Hand verloren haben, ein großes Stück Unabhängigkeit zurückbekommen könnten.

Weinberg ist Computerwissenschaftler und Direktor des Zentrums für Musiktechnologie am Georgia Institute of Technology in Atlanta. Früher wollte er Konzertpianist werden, doch während seines Studiums in Tel Aviv begann er, sich für Computerwissenschaften, künstliche Intelligenz und Roboter zu interessieren. Schließlich promovierte er am angesehenen Massachusetts Institute of Technology (MIT) in der Nähe von Boston.

Seine neue Erfindung hat er „Skywalker“ genannt. Das Vorbild für die Prothese stammt aus dem Star-Wars-Universum: Dort verliert der Held Luke Skywalker im Kampf gegen den bösen Lord Darth Vader seine rechte Hand. Sie wird ihm später durch eine mechanische Prothese ersetzt, mit der er tasten, fühlen und greifen kann – ganz so, als wäre es eine natürliche Hand. Diese bionische Hand, sagt Weinberg selbstsicher, „ist heute sehr viel näher an der Realität als noch vor 40 Jahren“.

Der erste Patient, der Weinbergs Erfindung testet, ist ein junger Musiker aus McDonough, einer Kleinstadt südöstlich von Atlanta. Jason Barnes, 28, hatte bei einem Arbeitsunfall im Januar 2012 einen Stromschlag erlitten und seinen rechten Unterarm verloren. In Weinbergs Labor spielt er nun zum ersten Mal seit sechs Jahren Klavier. Motive aus Beethovens 9. Symphonie, der „Ode an die Freude“. Und ein paar Akkorde aus der Star-Wars-Titelmelodie. „Ich hätte nie gedacht, dass ich alle Finger einmal wieder so bewegen und benutzen würde“, sagt er.JavaScript if it is Wenn ein Finger bewegt wird oder gar die ganze Hand, sind auch Muskeln im Oberarm an dieser Bewegung beteiligt. Bei modernsten Arm- und Handprothesen, beispielsweise denen der deutschen Weltmarktführer Otto Bock und Vincent Systems, werden diese Muskelimpulse im Oberarm durch Elektroden registriert, die auf dem verbliebenen Stumpf aufliegen.

Bisherige Sensoren sind jedoch zu schwerfällig, um individuelle und spontane Bewegungsmuster einzelner Finger zu erkennen. Deshalb können sie die Signale aus dem Oberarm nicht in individuelle Bewegungen der Hand übersetzen. Sie reagieren auf die Muskelimpulse stattdessen mit vorprogrammierten Griff- oder Wendemustern. Bei der jüngsten Generation von diesen sogenannten myoelektrischen Handprothesen ist es zum Beispiel immerhin schon möglich, einen Zeigefinger zum Tippen auf dem iPad auszustrecken.

Weinberg und sein Team fanden nun heraus, dass sie mit einer Ultraschallsonde genau verfolgen können, wann sich welche Muskeln im Oberarm wie und wohin bewegen. Eine Software liest den Zusammenhang zwischen den Muskel- und Fingerbewegungen ein und übersetzt diese Signale zeitgleich in Impulse für die differenzierte Artikulation einzelner Finger. Auf diese Weise nimmt der Ultraschallsensor kleinste Muskelbewegungen im Oberarm auf und wandelt die Impulse aus dem Arm in präzise Signale an die bionische Hand um. Mit der neuen Technik kann der Träger die Prothese fast so bewegen, als wäre es eine völlig natürliche Hand.

Der Ultraschallsensor ist nicht das erste Projekt, bei dem Weinberg und sein Testpatient Barnes zusammenarbeiten. Die beiden lernten sich bereits 2012 kennen, wenige Monate nach Barnes’ Unfall. Damals sah Barnes in einer Zeitschrift das Foto von einem Roboter, der Marimbafon spielte, ein xylofonähnliches Instrument. Barnes, der eigentlich Schlagzeuger ist, war sofort neugierig. Der Roboter hieß Shimon, Weinberg hatte ihn in seinem Labor gebaut. Wenige Tage später trafen sich Barnes mit dem Forscher. Das war der Beginn einer äußerst produktiven Freundschaft.

Weinberg entwickelte zunächst eine Schlagzeugerprothese für Barnes, einen künstlichen Arm mit zwei Trommelstöcken. Damit wurde der Musiker zu einem dreiarmigen Cyborg. Mit einer Hand spielte er normal Schlagzeug. An dem anderen Arm bewegte er durch die Prothese einen der Trommelstöcke rhythmisch über Elektroden, die wie Sensoren einer myoelektrische Prothese die Impulse registrierten.

Der andere Trommelstock an dem künstlichen Arm wurde über einen Computer ferngesteuert, bei dem ein Algorithmus passend zur Musik Trommelschläge improvisierte. So ging Barnes gemeinsam mit Weinberg und einer Band aus musizierenden Robotern auf Konzerttournee, sie spielten unter anderem in New York, Shanghai, Istanbul, Brisbane und Berlin.

Während der künstliche Schlagzeugerarm nur für eine spezielle Anwendung genutzt werden konnte, ist Weinbergs neue Skywalker-Hand wesentlich breiter einsetzbar. Nicht nur Amputierte könnten von der neuen Technik profitieren: Sie könnte auch die Fähigkeiten von Operationsrobotern verbessern oder die Bedienung des Smart Home vereinfachen.

Bis zur Marktreife dauert es noch

Bislang ist es nur ein Prototyp, der ausschließlich im Labor zum Einsatz kommt. Aber Weinberg ist zuversichtlich. Wenn man damit schließlich Musik spielen kann, könnte man auch vieles andere tun, sagt er – sich waschen, frisieren und schminken zum Beispiel, kochen, essen, schreiben oder zeichnen. Barnes, der im Alltag eine schwarz-metallisch schimmernde myoelektrische Prothese trägt, kann sich durchaus vorstellen, eine künstliche Hand mit dem neuen Sensor schon bald außerhalb des Labors zu tragen.

Weinstein bremst die Ungeduld seines Probanden. Noch sei seine Erfindung nicht reif für den Markt, sagt er. In den nächsten Monaten will er den Sensor kleiner, leichter und noch präziser machen. Ein Patent hat er bereits angemeldet, auch verhandelt er mit verschiedenen Technologiefirmen in den USA und Israel über eine Kommerzialisierung des Produkts.

Noch sucht er eine Firma, die eine passende Prothese erarbeiten könnte, während sein Team den Sensor verfeinert. Beides würde durch eine durch Weinberg entwickelte Software verbunden sein. Wenn das klappt, könnte die neue bionische Hand in zwei Jahren auf dem Markt sein, schätzt Weinberg.

Andere Mediziner und Medizintechniker halten das für eine kühne Prognose. Weinberg habe „eine spektakuläre Technologie“ entwickelt, und seine Forschung sei „ein hochinteressanter Entwicklungsschritt“, sagt Carsten Perka, Leiter der Abteilung Orthopädie und Unfallchirurgie an der Berliner Charité. Allerdings sei der Prototyp bislang ein Einzelfall. Auch wenn er zweifellos beeindruckend ist, könne man zu diesem frühen Zeitpunkt noch nicht schlussfolgern, dass es sich um eine Technologie handelt, die einmal weitverbreitet angewandt wird, sagt Perka.

Auch an der Universität Heidelberg stößt Weinbergs Forschung auf grundsätzlich positives Echo. Zwar sei es nicht neu, dass man Ultraschall zum Erfühlen von Muskelbewegungen nutzen kann, sagt Rüdiger Rupp, Ingenieur von Prothesen für Menschen mit Querschnittslähmung. Beeindruckend sei hingegen, dass man die Bewegungen in Echtzeit erkennen kann und entsprechend schnell Signale ausgeben könne. Das habe erst die fortschreitende Computertechnologie möglich gemacht, sagt er.

Das größte Problem bei Weinbergs Ansatz sieht Rupp jedoch in der praktischen Anwendbarkeit. Leistungsfähige Ultraschallsonden, wie Weinberg sie einsetzt, seien „extrem energiehungrig“: Der Akku für eine Prothese wäre nach wenigen Stunden leer. Doch auch diese Schwachstelle will Weinbergs Team zukünftig ausmerzen.

Die Ergotherapeutin Melissa Tober von der Emory-Universitätsklinik in Atlanta freut sich dagegen über Weinbergs Erfindung. Seit 18 Jahren sorgt Tober dafür, dass Handamputierte trotz des Verlusts ihres Körperteils weiterhin so gut es geht selbstständig bleiben. Sie hofft, dass die bionische Hand tatsächlich ihren Patienten eines Tages helfen wird.

Doch auch sie warnt vor allzu großem Enthusiasmus, denn sie weiß, dass der Alltag mit einer Handprothese, so hoch entwickelt sie auch sein mag, oft anders aussieht. Klar, in einer perfekten Welt hätten Forscher schon längst eine Handprothese entwickelt, „die sich natürlich anfühlt und natürlich bewegt“, sagt Tober, „die fleischfarben ist und leicht, die allein mit den Gedanken zu steuern ist und die dem Träger Sinnesreize ermöglicht.“

Den bisher verfügbaren myoelektrischen Prothesen begegnet sie in ihrer Praxis jedoch nur selten. Solche Hightech-Prothesen sind teuer, sie kosten bis zu 100.000 Dollar. Nur wenige Versicherungen in den USA übernehmen die Rechnung. Die meisten verwendeten Arm- und Handprothesen sind dagegen noch immer Schmuckprothesen und werden aus der Eigenkraft des Körpers gesteuert, indem der Träger zum Beispiel die Schulter dreht oder den Ellbogen.

Zudem sind die Prothesen empfindlich, manchmal unbequem zu tragen und schwierig zu benutzen, sagt Tober. Bei myoelektrischen Prothesen verrutschen häufig die Elektroden im Laufe des Tages. Wenn sich zwischen Armstumpf und Prothese Schweiß bildet, werden die Impulse aus den Armmuskeln außerdem oft nicht mehr richtig an die Prothese weitergegeben.

Prothesenträger geben oft entnervt auf

Tatsächlich gibt es Forschungsprojekte, bei denen versucht wird, die Elektroden vor äußeren Einflüssen zu schützen. Sie werden operativ unter die Haut eingesetzt und sollen so direkt Signale aus dem Muskel aufnehmen. In Italien arbeiten Forscher sogar daran, Berührungen an der Prothese an die Nerven im Arm zurückzuleiten, sodass die künstliche Hand auch Hitze, Kälte, Schmerz, oder einfache eine Berührung spüren kann, so wie die bionische Hand von Luke Skywalker. Doch auch diese Ansätze stehen noch ganz an den Anfängen und sind weit von der Anwendung entfernt.

Der Umgang mit hoch entwickelten Prothesen, das hat Tober derweil durch ihre Erfahrung aus dem Praxisalltag gelernt, erfordert viel Disziplin, viel Übung und vor allem: sehr viel Geduld. Jeder Patient habe eine andere Geschichte, eine andere Beeinträchtigung, andere Bedürfnisse und eine andere Persönlichkeit, sagt die Ergotherapeutin. Immer wieder erlebt sie, dass Patienten bei Übungen mit den Geräten entnervt aufgeben. In neun von zehn Fällen, sagt sie, verzichten die Amputierten irgendwann auf die Prothese und versuchen, mit dem verbliebenen Stumpf klarzukommen.

Gil Weinberg lässt sich von den Skeptikern nicht beirren. Science-Fiction könne Wirklichkeit werden, wenn verschiedene Forschungsgruppen eng und intensiv zusammenarbeiten würden, sagt er. Dann könnte er seinem Freund Jason Barnes eine bionische Hand basteln, die nicht nur so aussieht und so funktioniert wie die von Luke Skywalker, sondern sich auch so anfühlt. Nach seiner Schätzung vielleicht sogar schon in zehn Jahren.

© WeltN24 / Katja Ridderbusch