Bionische Prothese: einfach anlegen, intuitiv bedienen

Patienten, die nach der Amputation einer Extremität eine Prothese erhalten, müssen oft wochen- oder monatelang trainieren, bis sie die Technik kontrollieren und im Alltag ohne Probleme verwenden können. An der Medizinischen Universität Wien wurde nun die weltweit erste bionische Prothese entwickelt, die über einen geschlossenen Regelkreis verfügt und eine sofortige, intuitive Nutzung ermöglicht.

Im Interview mit MEDICA.de spricht Prof. Oskar Aszmann darüber, was bionische Rekonstruktion eigentlich bedeutet, wie die neuartige Prothese funktioniert und warum das System nicht nur Patienten nach einer Amputation helfen kann.

Prof. Aszmann, Ihre neuentwickelte Prothese funktioniert nach dem Prinzip der bionischen Rekonstruktion. Können Sie das genauer erklären?

Prof. Oskar Aszmann: Das Wort Bionik ist ein Akronym, das sich aus Biologie und Technik zusammensetzt. Bei der bionischen Rekonstruktion beschäftigen wir uns mit der Aufbereitung biologischer Signale, um ein Stück Technik – die Prothese – zu kontrollieren. Das sind Nervensignale, die wir so aufbereiten müssen, dass die Prothese sie versteht und umsetzt.

Wenn ein Mensch zum Beispiel einen Arm verloren hat, sind zwar noch alle entsprechenden Nerven vorhanden, aber nutzlos. Wir müssen dann in einem chirurgischen Eingriff einen Nerventransfer vornehmen. Dabei verlagern wir die Nerven in andere Muskeln im Amputationsstumpf, sodass sie wieder eine gewisse Funktionalität bekommen und die Biosignale sinnvoll für die Prothesensteuerung herangezogen werden können. Mithilfe eines Sensors – der kann auf der Haut sitzen oder implantiert sein – werden diese Signale aufgenommen und an die Prothese geleitet. Wir haben ein System entwickelt, das in sich geschlossen ist. So befinden sich auch in der Prothese Sensoren, die eine Rückmeldung an den Patienten ermöglichen.

Zwei wichtige Rückmeldungen haben wir zurzeit technisch sinnvoll gelöst: Der Patient weiß, wann der Kontakt der Prothese mit einem Objekt erfolgt. Und er weiß, wie intensiv die Kraftübertragung ist, also wie fest er das Objekt hält. Es gibt demnach eine geschlossene Feedback-Schleife, die durch eine Cuff-Elektrode – das ist eine Manschette, die um einen Nerv gelegt wird, um ihn zu stimulieren und so wiederum die Feedback-Schleife zu schließen – ermöglicht wird. Ein solches System nennen wir bionische Prothese.

Wie läuft das ab, wenn ein Patient eine solche Prothese erhält – von der OP bis zur Nutzung?

Aszmann: Unseren Ingenieuren ist es gelungen, ein System zu entwickeln, in dem die einzelnen Komponenten modular so aufbaut sind, dass in einer OP das ganze System implantiert werden kann. Nach dem Nerventransfer werden die einzelnen Sensoren an die Muskulatur angebracht. Die Cuff-Elektroden werden um die wichtigsten Nervenbahnen gelegt, um eine sensible Meldung zu ermöglichen. Das Ganze wird dann über ein dünnes Kabel durch ein Metallimplantat – ein in den Oberarmknochen implantierter Titanstift – in die Prothese hineingeleitet. Dadurch gelangen die Biosignale von den Nerven in die Prothese. Das System kommt dabei ohne externe Energiequelle aus.

Die vier Patienten, die wir in unserer Veröffentlichung präsentieren, hatten noch nicht alle ein Knochen-Implantat. Bei den Patienten, die dieses Implantat erst neu gesetzt wurde, hat es etwa drei Monate gedauert, bis dieses ausreichend eingeheilt war. Es braucht ungefähr weitere drei bis sechs Monate, bis die Signale so stabil sind, dass die Sensoren am Muskel sie gut ableiten können. Bei den meisten Patienten dauert es vom Zeitpunkt der OP bis zur endgültigen Anwendung ungefähr sechs Monate, bei jenen mit bereits vorhandenem Implantat etwas weniger.

Worin bestehen die Vorteile für den Patienten?

Aszmann: Im Grunde ist es das gleiche Prinzip wie bei einem Windows-System für den Computer: Es steckt ein Haufen Technologie dahinter, den Sie als Nutzer aber nicht sehen. Sie müssen nicht groß nachdenken, was da eigentlich passiert. Das System muss das machen, was Sie möchten – und das möglichst unkompliziert und ohne Umwege. Der Vorteil für die Nutzer unserer Prothese besteht darin, dass sie sich nicht damit beschäftigen müssen, wo die Signale sind und an was er denken muss. Er steckt die Prothese mithilfe eines Bajonette-Verschlusses am Titanimplantat an und kann sie sofort steuern. Außerdem funktioniert die Verbindung des Menschen mit der Prothese sehr verlässlich und präzise. Die Signale werden ohne Zeitverzögerung an die Prothese weitergeleitet.

In welche Richtung entwickelt sich die bionische Extremitätenrekonstruktion?

Aszmann: Die häufigste Ursache für einen Extremitätenverlust sind Unfälle mit landwirtschaftlichen Maschinen. Das betrifft in unserer industrialisierten Gesellschaft natürlich nur sehr wenige Menschen. Die größte Entwicklung, die ich zurzeit sehe und wissenschaftlich verfolge, ist die Erweiterung des Konzepts an sich. Wir haben gerade eine große Studie mit Patienten, die nach einem Schlaganfall ihre Hand nicht mehr bewegen können. Ein solcher Funktionsverlust kommt einer Amputation gleich.

Wir haben hier einige Konzepte beigesteuert, wie wir eine bionische Rekonstruktion in diesem Szenario umsetzen können. Das ist signaltechnisch herausfordernd, weil das Gehirn des Patienten beim Schlaganfall Schaden genommen hat. Wir sind heute aber schon so weit, dass wir dieses neurologische Defizit ausgleichen und solide Signale etablieren können, mit denen eine Prothese einwandfrei gesteuert werden kann. Wir können eine bionische Rekonstruktion also tatsächlich auch für neurologische Patienten anbieten und haben in Wien bereits zwei Patienten mit großem Erfolg behandelt. Durch den technologischen Fortschritt und die Möglichkeit, die Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine fluider zu gestalten, werden die Konzepte zur Behandlung von körperlichen Defekten im 21. Jahrhundert um einige Nuancen reicher werden, und ich bin überzeugt davon, dass in dem Bereich noch Einiges zu erwarten ist.