Intelligente Prothesen: von adaptiver Steuerung zu KI

Intelligente Prothesen verbinden Biomechanik, Robotik und adaptive Steuerung und Software, um Amputierten ein Höchstmaß an Mobilität und Selbstständigkeit zurückzugeben. Was früher ein rein mechanischer Ersatz war, ist heute ein sensorgestütztes, lernfähiges Assistenzsystem, das Bewegungsabsichten erkennt und in nahezu natürliche Bewegungsabläufe übersetzt.

Damit verschiebt sich der Anspruch von bloßer Funktionserfüllung durch die Prothese hin zu einer aktiven, sicheren und intuitiven Teilhabe am beruflichen und sozialen Leben. Welche technischen Prinzipien ermöglichen diese Entwicklung, was bedeutet "bionisch" konkret – und wann und wie könnte KI dabei eingesetzt werden? Unser Artikel zeigt einige Beispiele für aktuelle Produkte, Forschung und wichtige Hersteller.

Bei Armprothesen erfolgt die Steuerung meist myoelektrisch: implantierte oder Oberflächen-EMG-Elektroden erfassen Muskelaktivität im Armstumpf und übersetzen diese Signale in Bewegungsbefehle. Fortgeschrittene Systeme nutzen Mustererkennung zur Differenzierung komplexer Muskelaktivitäten. Ein Beispiel ist die von Ottobock entwickelte Myo-Plus-Steuerung (inklusive App), die Bewegungsabsichten anhand trainierter Signalprofile erkennt.

Solche multi-artikulierenden Systeme ermöglichen differenzierte Greifmuster, was Aktivitäten des täglichen Lebens wie Schreiben, Kochen oder die Bedienung technischer Geräte erleichtert.

Bei Beinprothesen erfassen integrierte Sensoren Kniewinkel, Beschleunigung oder Belastung. Mikroprozessor-basierte Kniegelenke wie das Genium-System passen Dämpfung und Schwungphase in Echtzeit an Ganggeschwindigkeit und Terrain an. Systeme wie das RHEO Knee von Össur nutzen vergleichbare adaptive Regelstrategien.

Das ermöglicht eine bessere Beweglichkeit beispielsweise beim Treppensteigen, Rückwärtsgehen oder in unebenem Gelände. Klinisch resultieren daraus verbesserte Gangparameter, höhere Gehgeschwindigkeit und gesteigerte Teilhabe im beruflichen und sozialen Umfeld.

Der Begriff "bionisch" beschreibt die Übertragung biologischer Funktionsprinzipien auf technische Systeme. In der Prothetik bezeichnet dies beispielsweise multi-artikulierende Handprothesen mit einzeln motorisierten Fingern, sensorgestützter Griffanpassung und programmierbaren Bewegungsmustern. So soll die funktionelle Annäherung an physiologische Bewegungsabläufe erreicht werden.

Ein Beispiel ist die i-Limb Quantum-Prothese von Össur, die verschiedene Griffarten softwaregestützt auswählbar macht. Auch die bebionic-Hand, ursprünglich von RSLSteeper, heute Teil des Ottobock-Portfolios, verfolgt dieses Konzept.

Bei einer adaptiven Steuerung messen und analysieren Sensoren in Echtzeit biologische und mechanische Signale und steuern die Prothese so, dass sie sich der Bewegungsintention des Nutzenden annähern.

Bei Armprothesen bedeutet dies vor allem die Mustererkennung myoelektrischer EMG-Signale, die Klassifikation unterschiedlicher Muskelaktivitäten sowie das kontinuierliche Anlernen individueller Bewegungsprofile, um Griffarten präzise und reproduzierbar auszuführen.

Bei Beinprothesen analysiert die Software Gelenkwinkel, Beschleunigung und Belastung. Sie erkennt Gangphasen und passt Dämpfungs- und Widerstandsparameter dynamisch an unterschiedliche Gehgeschwindigkeiten oder Untergründe an.

Diese Funktionsprinzipien erinnern bereits an die Verwendung von KI. Echte KI-basierte Prothesen sind derzeit aber noch Gegenstand der Forschung, wie im IN-HAND Lab von Prof. Cristina Piazza an der TU München

Zu den international relevanten Herstellern zählen:

• Ottobock (Deutschland) entwickelt myoelektrische Armprothesen mit Mustererkennung sowie mikroprozessorgesteuerte Kniegelenke.
• Össur (Island) bietet multi-artikulierende Handprothesen und adaptive Kniegelenke wie das RHEO Knee an.
• Open Bionics (UK) produziert myoelektrische, 3D-gedruckte Armprothesen mit softwarebasierter Griffsteuerung.
• Vincent Systems (Deutschland) ist spezialisiert auf motorisierte Handprothesen mit einzeln ansteuerbaren Fingermodulen.