Die Prothese der Zukunft: Künstliche Intelligenz und bionisches Feedback

Forschung und Entwicklung sind immer ein spannendes Thema. Bis aber auch Anwender*innen etwas davon haben, vergehen meist Jahre. Dennoch tut sich gerade auf dem Gebiet der Prothetik einiges. Das Ziel dabei ist immer: Menschen ein besseres Gefühl im Umgang mit ihrer Prothese zu geben und ihnen ein selbstbestimmtes Leben zu ermöglichen. Woran in Laboren medizinisch sowie technisch geforscht wird und inwiefern Prothesen heute schon im wörtlichen Sinn dazugelernt haben, hat REHACARE.de bei Herstellern wie Expert*innen auf dem Gebiet in Erfahrung gebracht.

"Ein passender Schaft ist das A und O. Ach was, eigentlich das ganze Alphabet. Wenn der passt und nicht schmerzt, kannst du mir ein Holzbein darunter bauen, mit dem ich laufe", sagt Kim Cremer. Der Kommunikations- und Social-Media-Manager von apt Prothesen weiß, wovon er spricht. Er hat gelernt: Der Weg zur passenden Prothese ist kein Sprint. Das gilt ebenso für die Forschung, die sich längst nicht mehr damit begnügt, Nutzenden ein Holzbein als Gliedmaßen-Ersatz zu bieten. Und auch die Hersteller verbessern ihre Produkte und Produktlinien immer weiter. So wird unter anderem aktuell an einer Alternative zur Versorgung mit dem Prothesen-Schaft geforscht.

1999 versorgte Dr.-Ing. Hans Grundei einen jungen Patienten erstmals osseointegrativ mit einer Prothese ganz ohne Schaft. Grundlage dafür ist die Eigenschaft menschlicher Knochenzellen, an einer metallischen Oberfläche zu haften und dieses Implantat besser zu integrieren. Grundei nutzte die Osseointegration, um einen Stiel in den Beinmuskel einzufügen, an dem dann die Prothese angebracht werden kann – das sogenannte endostieladaptierte Exo-Prothesenversorgungskonzept nach Dr. Grundei. Die Vorteile dieser Prothesenversorgung sind neben mehr Stabilität auch weniger Schmerzen oder Hautprobleme, welche ein Schaft, der auf dem Stumpf sitzt, oftmals hervorrufen kann. Außerdem fühlt sich die Prothese für Betroffene eher zu ihrem Körper zugehörig an. Weltweit wurden seitdem mehr als 1.000 Patient*innen nach diesem Konzept versorgt.

Für die oberen Extremitäten beispielsweise verhilft die sogenannte Targeted Muscle Reinnervation (TMR) zu einem intuitiveren und natürlicheren Gefühl. Myoelektrische Prothesen funktionieren derzeit noch basierend auf Muskelkontraktionen, also dem An- und Entspannen der Muskeln. Zwei Sensoren im Schaft der Prothese messen diese Bewegungen und wandeln sie in Steuerimpulse für die Motoren um. Dann erfolgt die Bewegung.

Bei einer TMR werden die noch funktionierenden Nervenenden aus dem Muskelgewebe des Stumpfes gelöst und mit noch intakten Muskeln – beispielsweise der Brustmuskulatur – verbunden. Diese übernehmen dann die Funktion der Muskeln, aus denen die Nerven ursprünglich stammten. Denken Betroffene dann daran, ihren Arm beziehungsweise die Prothese zu bewegen, geben die Nerven diesen Impuls an die neue Zielmuskulatur weiter, sodass diese angespannt wird. Diese Art der Muskelkontraktion ist nicht nur natürlicher und erfolgt damit intuitiver, sie ist auch präziser. Des Weiteren messen nach erfolgter TMR sechs Elektroden statt zwei die Impulse. Auch das trägt zu einem natürlicheren Umgang bei, weil sich dadurch die Informationsdichte vom Körper an die Prothese erhöht. Dadurch und durch die neuronale Neubenutzung der Muskeln können Phantomschmerzen reduziert werden. Allerdings brauchen Betroffene hierfür viel Geduld und einen langen Atem. Der gesamte Prozess von der OP bis zur finalen Versorgung kann zwei Jahre in Anspruch nehmen. Besonders für Menschen mit einer hohen Arm-Amputation ist diese Art der Wiederherstellung jedoch wirkungsvoll. Zusammen mit der Osseointegration könnte der TMR die Zukunft gehören.

Aktuell ist vor allem die Signalübertragung vom Menschen an die Prothese noch limitiert. Robotische Gliedmaßen allein können hingegen schon viel mehr als die körpereigenen Gliedmaßen des Menschen. Die Osseointegration – zusammen mit der besseren neuronalen Vernetzung nach einer TMR – könnte diese Übertragungsprobleme beheben.

Seit 2006 beschäftigt sich deshalb Univ.-Prof. Dr. Oskar C. Aszmann mit der TMR. Er ist Leiter des Zentrums für Extremitätenrekonstruktion und Rehabilitation sowie stellvertretender Leiter der Universitätsklinik für Plastische und Wiederherstellende Chirurgie an der MedUni Wien. Im vorigen Jahr wurden vier Probanden mit der weltweit ersten voll integrierten bionischen Armprothese versorgt. Dabei handelte es sich um eine osseointegrative Variante, bei der direkt auch die Kabel zum Signaltransport im Knochenimplantat inkludiert sind. Die Prothese empfängt nicht nur Signale vom Körper, sondern gibt ebenso Rückmeldung – beispielsweise, wenn ein Greifwiderstand auftritt. So ist die Prothese präziser steuerbar und fühlt sich körpereigener an, weil es eben zusätzlich ein sensorisches Feedback gibt. "Das Ziel dabei ist klar: eine Prothese oder Orthese, die vom Nutzenden idealerweise als 'körpereigen' wahrgenommen wird – sozusagen als natürliche Erweiterung des Körpers, als 'part of me'", erklärt Dr. Andreas Goppelt, Chief Technology Officer von Ottobock. Das Unternehmen arbeitet seit 15 Jahren eng mit Aszmann zusammen. "Tatsächlich 'fühlende' Prothesen sind ein spannendes Zukunftsthema", so Goppelt. Aber eben noch genau das: Zukunft. Aktuell ist das Ziel neben der Forschung auch die Standardisierung, damit Krankenkassen diese Art der Versorgung später auch bezahlen.

Aber auch die aktuelle Prothesenversorgung hat sich verbessert. So profitieren Nutzende heute schon von Künstlicher Intelligenz (KI): beispielsweise bei der Myo Plus Mustererkennung von Ottobock. Sie erkennt die spezifische Bewegung für einen bestimmten Griff selbstständig und führt ihn dann automatisch aus. Durch die Mustererkennung müssen Träger*innen nicht mehr mittels Muskelkontraktionen oder manuell zwischen den einzelnen Funktionen ihres künstlichen Körperteils hin- und herschalten. Denn mittels Elektroden misst die Prothese die Bewegungsmuster der Muskeln bei bestimmten Handbewegungen und ordnet diese konkreten Griffmustern wie beispielsweise dem Griff nach der Wasserflasche zu. Beim nächsten Griff nach der Wasserflasche erkennt die Prothese das gleiche Bewegungsmuster wie schon einmal und führt automatisch den richtigen Griff oder die Drehung des Handgelenks aus. Durch eine App können sich Nutzende die Bewegungsmuster visualisieren lassen und sie so gezielter trainieren. Denn natürlich sind die Muskelbewegungen für die einzelnen Griffe sehr ähnlich. Je eindeutiger die jeweiligen Bewegungen, desto präziser funktioniert die Steuerung der Prothese.

Gerade Handprothesen sind aufgrund der wichtigen Funktion, die sie ersetzen sollen, und der generellen Komplexität unserer Hände, eine technisch komplizierte Angelegenheit, will man die natürliche Hand in ihrer Funktionsweise so gut es geht ersetzen. Aber Hersteller wie Össur arbeiten kontinuierlich daran, immer bessere Prothesen auf den Markt zu bringen und investieren viel in die Entwicklung. 

So ist die i-Limb® Quantum nach eigener Aussage des Unternehmens die vielseitigste Prothesenhand, die derzeit erhältlich ist. Die Finger sind unabhängig voneinander motorisiert und der Daumen drehbar, sodass auch feingliedrigere Bewegungen möglich sind. Das hilft auch beim Halten von Besteck, handwerklichen Tätigkeiten oder überall anders, wo es ein wenig mehr Feingefühl braucht. Insgesamt verfügt die i-Limb® Quantum über 36 verschiedene Griffmuster für (fast) alle Alltagssituationen. Durch Muskelkontrolle kann man nicht nur die jeweiligen Griffe aktivieren, sondern auch bestimmen, wie fest ein Gegenstand gegriffen werden soll. Zusätzlich ist die Prothese aber auch mit Gesten steuerbar und über eine App individuell konfigurier- und in ihren Griffmustern anpassbar.

Auch bei den unteren Extremitäten erkennen die Prothesen dank Sensoren nicht nur die Muskelaktivität und wissen somit, welche Absicht ihr*e Träger*in hat; sie erkennen außerdem, wo im Raum sie sich befinden. Mit Mikroprozessoren werden Richtungsänderungen in Echtzeit möglich oder aber die Anpassung an wechselnde Untergründe beziehungsweise Schrägen oder sogar Treppen. Zusätzlich kommen auch hier Apps zum Einsatz, mit deren Hilfe Anwender*innen zwischen einzelnen Modi aus dem Alltag wechseln können. Joggen, Fahrradfahren oder Schwimmen sind kein Problem mehr.

Für Güngör Kara, Chief Digital Officer (CDO) von Ottobock, ist deshalb klar: "Digitale Lösungen rücken immer stärker in den Fokus – geleitet, gemessen, kontrolliert und eigenständig optimiert durch Künstliche Intelligenz. Dadurch entstehen neue Verbesserungsmöglichkeiten im Versorgungsprozess für die Nutzenden. Es ist klar ersichtlich, dass es einen beschleunigten Trend gibt. In den kommenden Jahren werden stufenweise immer mehr KI-Lösungen ganzheitlich integriert."

Und die Hightech-Produkte sind längst nicht mehr nur Topathlet*innen oder Paralympionik*innen vorenthalten. Auch Menschen mit geringem Aktivitätslevel können in den Genuss moderner Technik kommen, die ihnen die größtmögliche Sicherheit bietet – wie beispielsweise mit dem Kenevo Kniegelenk von Ottobock oder dem RHEO KNEE® XC von Össur. Beide passen sich den Fähigkeiten der Anwender*innen an – egal, ob sie in der Rehabilitation nach der Amputation den Umgang mit der Prothese noch lernen oder im Alter weniger mobil werden. Nicht umsonst lautet der Leitspruch des isländischen Unternehmens auch "Life Without Limitations". Das Ziel der Hersteller ist es immer, eine passende Lösung für Menschen mit jedem Mobilitätslevel präsentieren zu können.

"Die heute vielmals zum Einsatz kommende Technologie, unterstützt die Anwender*innen gegenüber früheren Versorgungen um ein Vielfaches und erleichtert ihnen den Alltag", bestätigt auch Tobias Werner, Orthopädietechnikmeister von apt Prothesen Rhein-Neckar. "Es ist aber nach wie vor immer noch unumgänglich, dass Anwender*innen wissen wie ihre Prothese funktioniert und sie auch steuern können." Dafür sind eine gutes Rehabilitationsprogramm und eine offene Kommunikation zwischen Nutzenden und Techniker*in sowie den entsprechenden Ärzt*innen und Physiotherapeut*innen wichtig. Denn nicht für alle ist das Hightech-Produkt die richtige Wahl. Im besten Fall sollten Anwender*innen auf die Kompetenz ihres Teams, das ihnen zur Seite steht, zurückgreifen. Doch nur sie allein wissen, welche Herausforderungen sie im Alltag zu bestreiten haben. Und letztlich sind sie es, die ihn auch bewältigen müssen. Dass das mit der bestmöglichen Prothese geschehen kann, dafür ist Kommunikation das A und O. "Je mehr Informationen der*die Techniker*in bekommt, umso besser können das Wissen und die Erfahrung in die Versorgung eingebracht werden, um das jeweils beste Ergebnis zu erzielen", sagt Werner deshalb. Die Suche nach der passenden Prothese ist daher nicht nur kein Sprint, sie ist auch Teamwork. Und Technik allein ist nicht die Lösung.