Magnetische Sensoren bieten erhöhte Präzision für Prothesengliedmaßen-Steuerung

Für Menschen mit Prothesengliedmaßen ist eine der größten Herausforderungen die Steuerung der Prothese so, dass sie sich genauso bewegt wie ein natürliches Glied. Die meisten Prothesengliedmaßen werden mittels Elektromyographie gesteuert – einer Methode zur Aufzeichnung elektrischer Aktivität aus den Muskeln – aber dieser Ansatz bietet nur begrenzte Kontrolle der Prothese.

Forscher entwickelten einen alternativen Ansatz, der viel präzisere Kontrolle von Prothesengliedmaßen bieten könnte. Nach Einfügen kleiner Magnetperlen in Muskelgewebe innerhalb des amputierten Residuums können sie die Länge eines Muskels präzise messen, während er sich zusammenzieht, und diese Rückmeldung kann innerhalb von Millisekunden an eine bionische Prothese weitergeleitet werden. Die Strategie, Magnetomicrometrie (MM) genannt, kann schnelle und präzise Muskelmessungen liefern.

Mit bestehenden Prothesengeräten werden elektrische Messungen der Muskeln einer Person mittels Elektroden erhalten, die entweder an der Hautoberfläche angebracht oder chirurgisch in den Muskel implantiert werden können. Letzteres Verfahren ist hochinvasiv und kostspielig, liefert aber etwas genauere Messungen. In beiden Fällen liefert 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 präzisere Kontrolle einer Prothese bieten würden. Um dies zu erreichen, fügten die Forscher Paare von Magneten in Muskeln ein. Indem sie messen, wie sich die Magnete zueinander bewegen, können sie berechnen, wie stark die Muskeln sich zusammenziehen und die Kontraktionsgeschwindigkeit.

Für die Steuerung einer Prothesengliedmaße könnten diese Messungen in ein Computermodell eingespeist werden, das vorhersagt, wo das Phantomglied des Patienten im Raum wäre, basierend auf den Kontraktionen des verbleibenden Muskels. Diese Strategie würde das Prothesengerät anweisen, sich so zu bewegen, wie der Patient es will, passend zum mentalen Bild, das sie von ihrer Gliedposition haben. Durch mathematische Modellierung des gesamten Glieds können die Forscher Zielpositionen und -geschwindigkeiten der zu steuernden Prothesengelenke berechnen und dann ein einfacher Robotercontroller diese Gelenke steuern.

Die Forscher stellen sich vor, dass die Sensoren zur Steuerung der Prothesengliedmaßen auf Kleidung platziert, an der Hautoberfläche befestigt 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 Mobilität bei Menschen mit Rückenmarksverletzungen wiederherzustellen. Eine weitere mögliche Verwendung für diese Art magnetischer Kontrolle wäre die Führung robotischer Exoskelette, 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 wirken die Magnete und das Exoskelett als künstlicher Muskel, der die Ausgabe der biologischen Muskeln im schlaganfallbeeinträchtigten Glied verstärkt. Ein weiterer Vorteil des MM-Ansatzes ist, dass er minimalinvasiv ist. Einmal in den Muskel eingesetzt, könnten die Perlen ein Leben lang an Ort und Stelle bleiben, ohne ersetzt werden zu müssen.