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Gedankengesteuertes Exoskelett der Hand
Forscherinnen und Forscher der EPFL entwickeln ein leichtes, tragbares und durch Gehirnwellen steuerbares Exoskelett der Hand. Das Gerät besitzt die Besonderheit, die Schnittstelle zwischen Gehirn und Maschine zu verbessern. Dieser Fortschritt könnte helfen, dass bestimmte Patienten mit Bewegungseinschränkungen wieder Gegenstände greifen können.
Ein leichtes, tragbares Exoskelett der Hand, das Patienten mit Einschränkungen im Alltag helfen würde: Das ist die Hoffnung des EPFL-Forschers Luca Randazzo, der das Gerät an dem von José Millán geleiteten Lehrstuhl der Stiftung Defitech für die Schnittstelle zwischen Gehirn und Computer entwickelt. Die neusten Ergebnisse wurden in der Januarausgabe der wissenschaftlichen Fachzeitschrift IEEE Robotics and Automation Letters veröffentlicht.
Sein Labor auf dem Biotech-Campus in Genf ist bereits gut mit kommerziellen Exoskeletten, Laufbändern und Geräten für die Unterstützung des Gehens ausgestattet. Luca Randazzo räumt jedoch ein, dass er am Anfang «eine Nähmaschine mitbrachte, um Geräte zu entwickeln, die wie Kleider getragen werden können.»
«Das Exoskelett wurde auch anpassbar gestaltet, denn die Steuerungsschnittstelle kann je nach den Restkapazitäten des Patienten ausgewählt werden. Dabei geht es beispielsweise um die Augenbewegungen schwer gelähmter Patienten, die Sprachschnittstelle von Smartphones, die restliche Muskelaktivität einer geschädigten Gliedmasse oder sogar die Messung von Hirnwellen mithilfe eines Helms.»
Leichtes, tragbares und anpassungsfähiges Exoskelett
Das Exoskelett wird mit Klettverschlüssen an den Gelenken verankert und ist in wenigen Minuten an der Hand des Patienten befestigt. Über jedem Finger dienen Metallseile als Sehnen, ohne den Daumen zu behindern, um das Gefühl in der Hand zu maximieren. Motoren in einem an der Brust befestigten Gehäuse bewegen die Seile, je nachdem, ob man den Finger krümmen oder strecken will.
Das Exoskelett wurde auch anpassbar gestaltet, denn die Steuerungsschnittstelle kann je nach den Restkapazitäten des Patienten ausgewählt werden. Dabei geht es beispielsweise um die Augenbewegungen schwer gelähmter Patienten, die Sprachschnittstelle von Smartphones, die restliche Muskelaktivität einer geschädigten Gliedmasse oder sogar die Messung von Hirnwellen mithilfe eines Helms.
Die Feststellung einer unerwarteten Gehirnaktivität ermöglicht eine bessere Steuerung des Exoskeletts.
Um die Forschung über die Steuerung von Exoskeletten durch Gehirnwellen voranzutreiben, haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler beschlossen, die Benutzer mit einem EEG-Helm auszustatten, der die Hirnsignale bei der Bedienung des Geräts misst. Sie stellten fest, dass die vom Exoskelett durchgeführten Bewegungen der Hand Gehirnwellen erzeugen, die für die Bewegung einer normalen Gliedmasse typisch sind. Überraschend war hingegen, dass ganz besondere Signale entstehen, wenn die vom Exoskelett diktierten Bewegungen mit einer computergestützten Schnittstelle zwischen Gehirn und Maschine kombiniert werden. Diese unerwarteten Gehirnwellen erleichtern möglicherweise die Steuerung des Exoskeletts.
Die Gehirnregion, die mit der Steuerung der Körperbewegungen verbunden ist, wird als Bewegungskortex bezeichnet und in eine rechte und eine linke Seite eingeteilt. Der rechte Bewegungskortex wird hauptsächlich bei der Mobilisierung der linken Hand angesprochen und umgekehrt. Diese als kontralateral bezeichnete Steuerung ist eine Eigenschaft des Nervensystems.
Wie erwartet stellten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler bei Probanden mit passiver Bewegung durch das Exoskelett eine kontralaterale Hirnaktivität fest. Bei den Probanden, die gebeten wurden, das Exoskelett mithilfe von Gehirnwellen zu steuern, wurden jedoch auch Signale auf der gleichen Seite wie die bewegte Hand festgestellt. Mit anderen Worten: Wenn die Probanden daran dachten, das Exoskelett zu bewegen, wurde auch der normalerweise für die Steuerung der anderen Hand vorgesehene Teil des Gehirns aktiviert.
Gemäss den Forschern könnte dies durch die Assoziierung der gewollten Steuerung mit dem kohärenten Informationsrücklauf des Geräts genutzt werden, um die Steuerung von Exoskeletten durch Gehirnwellen zu verbessern.
«Die Verbesserung der Steuerung des Exoskeletts durch Gehirnwellen ist wahrscheinlich auf das reichhaltige sensorische Feedback unseres Exoskeletts zurückzuführen», erklärt José Millán. Dadurch kann sich der Benutzer stärker einbringen. Das Feedback ergibt sich aus der Wahrnehmung der Position und Bewegung der Hand des Benutzers, und diese Propriozeption ist von wesentlicher Bedeutung.»
Das Exoskelett der Hand wurde bisher bei Patienten getestet, die aufgrund von Gehirninfarkten oder Rückenmarksverletzungen eingeschränkt sind. Die kommenden Anstrengungen werden sich auf die Verbesserung des Systems konzentrieren, um bei den täglichen Arbeiten im Haushalt oder bei der Reha zu helfen.
Luca Randazzo fügt hinzu: «Durch die Kombination von tragbaren Geräten mit leistungsfähigen Schnittstellen zwischen Mensch und Maschine könnte diese Art von System in Zukunft eine praktische und willkommene Unterstützung im Alltag bieten.»