Prothetik: Der Cyborg-Arm

Ein großteils in Wien entwickelter, gedankengesteuerter Bionik-Arm markiert den Beginn einer neuen Ära künstlicher Hightech-Gliedmaßen.

Der 20-jährige Steirer Christian Kandlbauer strahlt. Dort, wo einmal sein rechter Arm war, sitzt jetzt auf dem übrig gebliebenen Oberarmstumpf eine Prothese aus Metall und Plastik, mit der er gerade einmal drei Bewegungen ausführen kann. Dort, wo einmal sein linker Arm war, befindet sich hingegen eine Hightech-Prothese aus hochwertigem Metall und Kunststoff, vollgepackt mit Elektronik. Anders als mit seinem herkömmlichen Plastikarm kann er mit der Hightech-Prothese sieben verschiedene Bewegungen vollführen, und zwar nicht ruckartig, sondern rund und durchgehend. Und er steuert diese Bewegungen allein mit seinen Gedanken. Es ist dies die erste Prothese dieser Art, die einem Europäer angemessen wurde. Das in Wien entwickelte und am Dienstag der Vorwoche präsentierte Gerät markiert eine neue Ära in der Prothetik.

Kandlbauer weiß, wie es sich lebt, wenn man zwei gesunde Arme hat. Als junger Automechaniker hatte er diese Arme tagtäglich für die kniffligsten Handgriffe benutzt. Im Jahr 2005 erlitt er bei einem Starkstromunfall derart schwer wiegende Verbrennungen, dass ihm der linke Arm inklusive eines Teils des Schultergelenks und der rechte Arm bis auf einen Oberarmstumpf amputiert werden mussten.

Der Steirer weiß auch, wie es sich mit herkömmlichen Prothesen lebt. Obwohl auch diese mit komplexer Technik ausgestattet sind, haben sie eine Reihe von Schwachpunkten. Vor allem ist die bisher gebräuchliche Art der Prothesensteuerung verhältnismäßig langsam, da Bewegungen aus einzelnen Gelenken des künstlichen Armes nur nacheinander ausgeführt werden können. Jede der drei möglichen Bewegungen muss dort, wo noch Reste der Armmuskulatur vorhanden sind, durch einzelne Muskelanspannungen erzeugt und über elektrische Impulse an die Prothese übertragen werden. Der Prothesenträger muss in der Lage sein, die eingesetzten Muskeln möglichst unabhängig voneinander anzuspannen.

Das erfordert einen hohen Lernaufwand. Und selbst wenn der Prothesenträger das Steuerungsmuster bestens beherrscht, kann er die Prothese nicht betätigen, ohne sich auf die Steuerung zu konzentrieren. Die herkömmliche Armprothese kann auch das „Gefühl“ der gesunden Hand nicht ersetzen, sie gibt keine Rückmeldung. Daher ist der Anwender darauf angewiesen, die Funktion der Prothese visuell zu überwachen, was seine Aufmerksamkeit für die Umwelt noch zusätzlich verringert. All diese Schwachstellen führen dazu, dass viele einseitig Amputierte das Tragen einer solchen Prothese ablehnen.

Künstlicher Arm. Daher arbeiten Forscher schon seit Jahren an neuen Konzepten, welche irgendwann zur Entwicklung einer Prothese führen sollen, die in ihren Funktionen nahe an einen menschlichen Arm herankommt. Einer der Pioniere des Fachs ist der Rehabilitationsmediziner Todd A. Kuiken, 46, Abteilungsleiter am Rehabilitation Institute of Chicago und Professor an der Northwestern University. Kuiken, der sowohl Medizin wie auch Technik studiert hat, ist der eigentliche Kopf hinter der gedankengesteuerten Armprothese.

Erst in jüngster Zeit konnten verschiedene Forscherteams, darunter eine Arbeitsgruppe um Gert Pfurtscheller an der TU Graz, zeigen, dass sich die im Gehirn erzeugten Gedankenströme über Kabel an einen Computer übertragen lassen, der die Signale dann an eine mechanische Prothese weiterleitet, um diese zu bewegen. Aber solche Gehirn-Computer-Schnittstellen können die so genannten myoelektrischen Impulse – das sind die Stop-and-go-Signale des körpereigenen Muskelsystems – nur mangelhaft interpretieren, weil sie für eine Unterscheidung durch den Computer nicht deutlich genug ausgeprägt sind.

Nach jahrelanger Arbeit mit Laborratten fand Kuiken in Zusammenarbeit mit dem Elektroniker und Computerspezialisten Allen Taflove von der Northwestern University aber einen Weg, die Muskelsignale so zu dekodieren, dass er beispielsweise das Signal für das Abwinkeln des Unterarms vom Signal für das Schließen der Hand auseinanderhalten konnte. Die neuen Erkenntnisse erprobte er an einem ehemaligen Mitarbeiter eines Elektrizitätsunternehmens namens Jesse Sullivan, der im Jahr 2001 bei einem Starkstromunfall, ähnlich wie Kandlbauer, beide Arme bis zum Schultergelenk verloren hatte.

Nervenumleitung. In einer mehrstündigen Operation leitete Kuiken die für die Armbewegungen zuständigen, abgerissenen Nervenbahnen aus Sullivans Schultergelenk zu jenen funktionslos gewordenen Brust- und Rückenmuskeln um, die ursprünglich ebenfalls für die Armbewegungen zuständig waren. Die wissenschaftlichen Grundlagen für diese Nervenumleitung wurden von einer Forschergruppe um den plastischen Chirurgen Manfred Frey an der Wiener Medizinuniversität erarbeitet. Nachdem die Nervenenden in die Muskeln eingewachsen waren, verband Kuiken die Nerven mit insgesamt 115 Elektroden und bat Sullivan, 26 verschiedene Bewegungen auszuführen, sodass er die für jede einzelne Bewegung charakteristische Impulskombination aufzeichnen konnte. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse setzte er in die Entwicklung des Prototyps eines bionischen Arms um, den Sullivan seither trägt und mit dem er alltägliche Tätigkeiten wie Essen, Ankleiden, Rasieren oder Gartenarbeit ausführen kann.

Unterdessen hat die Darpa, der Forschungszweig des US-Verteidigungsministeriums, ein mit fünfzig Millionen Dollar gefördertes Forschungsprogramm unter dem Namen „Revolutionizing Prothetics“ initiiert, das darauf abzielt, den ersten voll funktionsfähigen bionischen Arm zu schaffen. An dem Forschungsverbund ist das deutsche Medizintechnikunternehmen Otto Bock, dessen Wiener Forschungsabteilung auch Kandlbauers Armprothese entwickelt hat, maßgeblich beteiligt. In drei bis vier Jahren soll der bionische Arm marktreif sein. „Fernziel ist, dass die natürlichen Nerven, die einst den Arm steuerten, eines Tages wieder ebenso mühelos die Prothese lenken“, erklärt Hans Dietl, Leiter der Forschung und Entwicklung der Otto-Bock-Niederlassung in Wien, das Konzept.

Christian Kandlbauer ist der erste Mensch der Welt, der mit seiner Hightech-Prothese bereits einen Schritt in diese Richtung macht. Im vergangenen Dezember wurde der armamputierte Steirer von den plastischen AKH-Chirurgen Manfred Frey und Oskar Aszmann in einer sechsstündigen Operation auf die Prothese vorbereitet. Dabei wurde auch ein Nerv im Bereich des Schlüsselbeins so präpariert, dass er dem Prothesenträger ein Fingergefühl vermittelt. „Das gibt Menschen wie mir ein Stück Lebensqualität zurück. Demnächst fange ich an meiner alten Arbeitsstätte wieder zu arbeiten an“, sagt Kandlbauer.


Von Robert Buchacher