Magnete verbessern die Kontrolle von Prothesen

Für Menschen mit Prothesen besteht eine der größten Herausforderungen darin, die Prothese so zu steuern, dass sie sich genauso bewegt wie ein natürliches Glied. Die meisten Prothesenglieder werden mittels Elektromyographie kontrolliert – eine Methode zur Aufzeichnung der elektrischen Aktivität der Muskeln – aber dieser Ansatz ermöglicht nur eine begrenzte Kontrolle der Prothese.

Die Forscher entwickelten einen alternativen Ansatz, der eine viel präzisere Steuerung von Prothesen bieten könnte. Nach dem Einbringen kleiner magnetischer Kügelchen in das Muskelgewebe innerhalb des amputierten Residuums können sie die Länge eines Muskels während der Kontraktion präzise messen und dieses Feedback innerhalb von Millisekunden an eine bionische Prothese weiterleiten. Die als Magnetomikrometrie (MM) bezeichnete Strategie kann schnelle und genaue Muskelmessungen liefern.

Bei bestehenden Prothesen werden elektrische Messungen der Muskeln einer Person unter Verwendung von Elektroden erhalten, die entweder an der Hautoberfläche befestigt oder chirurgisch in den Muskel implantiert werden können. Das letztere Verfahren ist sehr invasiv und kostspielig, liefert jedoch etwas genauere Messungen. In beiden Fällen liefert die Elektromyographie (EMG) nur Informationen über die elektrische Aktivität der Muskeln, nicht über ihre Länge oder Geschwindigkeit.

Die neue Strategie basiert auf der Idee, dass, wenn Sensoren messen könnten, was Muskeln tun, diese Messungen eine präzisere Steuerung einer Prothese ermöglichen würden. Um dies zu erreichen, führten die Forscher Magnetpaare in Muskeln ein. Indem sie messen, wie sich die Magnete relativ zueinander bewegen, können sie berechnen, wie stark sich die Muskeln zusammenziehen und wie schnell sie sich zusammenziehen.

Zur Steuerung einer Prothese könnten diese Messungen in ein Computermodell eingespeist werden, das anhand der Kontraktionen des verbleibenden Muskels vorhersagt, wo sich das Phantomglied des Patienten im Raum befinden würde. Diese Strategie würde die prothetische Vorrichtung anweisen, sich so zu bewegen, wie es der Patient wünscht, und dem mentalen Bild entsprechen, das er von seiner Gliedmaßenposition hat. Durch mathematische Modellierung der gesamten Extremität können die Forscher Zielpositionen und -geschwindigkeiten der zu steuernden Gelenkprothesen berechnen, und dann kann eine einfache Robotersteuerung diese Gelenke steuern.

Die Forscher stellen sich vor, dass die zur Steuerung der Prothesen verwendeten Sensoren auf der Kleidung angebracht, auf der Hautoberfläche oder an der Außenseite einer Prothese angebracht werden könnten.

MM könnte auch verwendet werden, um die Muskelkontrolle zu verbessern, die mit einer Technik namens funktionelle elektrische Stimulation erreicht wird, die jetzt verwendet wird, um Menschen mit Rückenmarksverletzungen dabei zu helfen, die Mobilität wiederherzustellen. Eine weitere mögliche Verwendung für diese Art der magnetischen Steuerung wäre die Führung von Roboter-Exoskeletten, die an einem Knöchel oder einem anderen Gelenk befestigt werden können, um Menschen zu helfen, die einen Schlaganfall erlitten haben oder andere Arten von Muskelschwäche entwickelt haben.

Im Wesentlichen fungieren die Magnete und das Exoskelett als künstlicher Muskel, der die Leistung der biologischen Muskeln in der schlaganfallgeschädigten Extremität verstärkt. Ein weiterer Vorteil des MM-Ansatzes ist, dass er minimalinvasiv ist. Einmal in den Muskel eingesetzt, können die Perlen ein Leben lang an Ort und Stelle bleiben, ohne dass sie ersetzt werden müssen.