Faszination Technik Handprothesen mit Ultraschallsensoren feinfühliger machen

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Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik (IBMT)

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In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: wie sich mit Ultraschallsensoren Befehle für Handprothesen genauer umsetzen lassen als mit herkömmlichen Elektroden und wie damit eine Rückmeldung an das Gehirn möglich wird.

Für Menschen, die eine Hand verloren haben, ist eine funktionierende Handprothese eine enorme Erleichterung im Alltag. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Biomedizinische Technik IBMT haben jetzt gemeinsam mit sieben Projektpartnern aus fünf Ländern gezeigt, dass ihre Steuerung mit Hilfe von Ultraschallsensoren deutlich verbessert werden kann. Einzelne Finger der Prothese könnten so noch präziser bewegt werden als dies bisher in der myoelektrischen Prothetik möglich war. Die myoelektrische Prothetik arbeitet mit Elektroden auf der Haut, die die elektrischen Signale von Muskelkontraktionen aufnehmen und an ein Elektronikmodul weiterleiten, das wiederum die Prothese ansteuert.

Schallwellen lassen Muskelkontraktionen detaillierter erfassen

Die Wissenschaftler des Fraunhofer IBMT nutzen Ultraschallsensoren, die laufend Schallimpulse ins Muskelgewebe des Unterarms schicken. Anders als elektrische Impulse werden Schallwellen vom Gewebe reflektiert. Die Laufzeiten der reflektierten Signale liefern Informationen über die räumliche Tiefe des Muskelstrangs, der die jeweilige Schallwelle zurückspielt. Auf diese Weise lassen sich die durch Nervenstimuli des Gehirns ausgelösten Kontraktionen im Muskelgewebe sehr detailliert beobachten. Dies wiederum ermöglicht die Erkennung typischer Aktivierungsmuster im Muskel, die für eine bestimmte Bewegung der Hand oder eines Fingers stehen. Das Projektziel ist, dass eine KI-gesteuerte Software in einer kompakten Elektronikbox, die der Patient am Körper trägt, diese Erkennung übernimmt. Ultraschallwandler und Elektronik erzeugen dabei die Signale und lesen die zurückgespielten Schallwellen aus. Die Elektronik könnte dann die decodierten Signale als Befehl an die Aktoren in der Handprothese senden und damit die Bewegung der Prothesen-Finger auslösen. Das Detektieren, Auswerten und Aussenden von Steuerbefehlen geschieht dabei in Echtzeit.

Die Technologie im Detail

Wie das Fraunhofer IBMT mitteilt, schicken die piezoelektrischen Schallwandler Dutzende Male pro Sekunde ihre Impulse mit einer Frequenz zwischen eins und vier Megahertz in das Muskelgewebe. Zudem seien mindestens 20 Sensoren zusammengeschaltet. Jeder Sensor liefere neben den Tiefeninformationen auch Daten über die Position des Muskelstrangs, der gerade eine Welle zurückgespielt hat. Bevor die KI ans Werk gehe, werden die gesammelten Daten zu Ort und Tiefe der Signale vorsortiert. Die KI identifiziert dann die Aktivierungsmuster, wandelt sie in einen Steuerbefehl um und schickt ihn an den entsprechenden Finger der Prothese. Laut Fraunhofer IBMT wertet die KI dabei Amplitude und Zeitverlauf der elektrischen Spannungen aus, die jedes Sensormodul liefert.

Die Sensoren werden in ein Armband integriert, das später im Schaft der Handprothese sitzen könnte. Für die korrekte Verknüpfung der Muskelsignale mit dem entsprechenden Finger und der gewünschten Bewegung muss der Mensch ein kurzes Training absolvieren. Die daraus generierten Aktivitätsmuster werden als Referenz im System hinterlegt. Daraus lässt sich die Verknüpfung mit dem Finger oder Teil der Hand und der gewünschten Bewegung herstellen.

Sensorische Rückmeldung aus der Handprothese in Aussicht

Das Konsortium arbeitet außerdem daran, das System bidirektional zu machen. Die Handprothese soll dann nicht nur Befehle ausführen, sondern auch Rückmeldung geben, die der Träger als sensorischen Reiz spürt und darauf reagieren kann. Die Rückmeldung könnte laut Fraunhofer IBMT jedoch statt über Ultraschallsensoren über Elektroden aus biologisch verträglichem Material erfolgen, die in bzw. an Nerven implantiert werden. Dort leiten sie die Signale, die von der Prothese geschickt wurden, mittels gezielter Nervenstimulation ans Gehirn als sensorischen Reiz weiter, heißt es. Auf diesem Weg bekomme das menschliche Gehirn Rückmeldung von der künstlichen Hand und könne Befehle zurücksenden, die beispielsweise den Druck der Finger verstärken oder senken. Die ins Nervengewebe implantierte Elektrode spürt der Mensch nicht.

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