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Neuroprothetik


Wir sind uns über die Problematik von Neuroprothesen durchaus bewußt. Besteht hier doch - ähnlich wie bei den "klassischen" Prothesen - die Gefahr um jeden Preis wie Nicht-Behinderte funktionieren zu müssen/wollen. Obwohl die Prothesen z.b. eher wie Panzer wirken oder schmerzhafter Druckstellen verursachen. Das zweite Problem besteht aus unserer Sicht darin, dass der Umwelt ebenso wie den Behinderten "Heilung" eingeredet wird, die unter der Hand zum Zwang (hier Zwang zur Benutzung von Neuroprothesen) werden könnte. Trotzdem möchten wir hier über aktuelle Entwicklungen informieren.

Heike Raab
Hannes Heiler

Neuroprothetik

Gehen dank Roboterhilfe?

Noch ist keine Alltagsrealität und es scheint auch noch eine ganze Weile zu dauern. Gehen für Querschnittsgelähmte dank einer Neuroprothese. Aber erste Schritte sind getan. In Studien laufen Teilnehme immerhin schon einige Meter.

Lange träumt der Mensch schon davon, gestörte oder sogar vollständig zerstörte Körperfunktionen wiederherzustellen. Die moderne Medizin verlässt sich dafür auf modernste Technologie. Neuroprothesen - hoch komplexe, meist mikroelektronische Systeme - sollen die verloren gegangenen Körper-funktionen wenigstens zum Teil wiederherstellen. lmplantate im Gehirn, z.B. bei Parkinson-Patienten, das Cochlear-lmplantat, welches gehörlos geborenen Säuglingen ins lnnenohr eingepflanzt wird und ihnen hilft, ein normales Sprachvermögen zu entwickeln, Zwerchfell- und Muskelstimulation bei Querschnittgelähmten - alle haben etwas gemeinsam: Sie nutzen die natürliche Kommunikationsmethode unseres Körpers: elektrische Signale.

Seit Anfang der neunziger Jahre beschäftigt sich Dr. Riener, Professor an der Eid- genössischen Technischen Hochschule und der Universität Zürich, mit dem Thema Gehen mit Hilfe der Neuroprothetik. Und seitdem ist viel geschehen: Technisch ist man heute in der Lage, Querschnittgelähmten mit gesteuerten Neuroprothesen das Aufstehen, Gehen und sogar das Treppensteigen zu ermöglichen.

Als die Forschungsgruppe um Professor Riener in München anfing, sich mit dieser Problematik auseinander zu setzen, mussten zunächst die Grundlagen geschaffen werden. Gemeinsam mit Dr. Quintern von der neurologischen Klinik Klinikum Großhadern, Leitung Professor Thomas Brandt, erstellten die Mitarbeiter Bewegungsanalysen, simulierten Muskel- und Gelenkeigenschaften und entwickelten Sensor- und Regelungsstrategien für die Muskelstimulation.

Aufbauen konnte die Gruppe auf Erfahrungen mit der funktionellen Elektrostimulation (FES), die Anfang der neunziger Jahre schon recht gut entwickelt und erforscht war. Sie lieferte die Basis für die weitere Entwicklung. Diese früheren Generationen der Neuroprothesen diktierten dem Nutzer allerdings die Bewegungsabläufe, der sich dadurch dem »Willen« der Maschine unterordnen musste. Im Zentrum der Arbeit stand und steht daher die experimentelle Erprobung patientengeführter, so genannter »kooperativer« Neuroprothesen zur Wiederherstellung komplexer Bewegungen.

Mensch versus Roboter

»Ziel war es«, so Professor Riener, »die Bewegungsabläufe so weit wie möglich vom Patienten vorgeben zu lassen, anstatt diese mit der Neuroprothese zu erzwingen.« Auch die neuen Forschungsprojekte haben patientenzentrierte Regelungsverfahren zum Inhalt. Kern der Strategie sei die Berücksichtigung der intakten Willkürmotorik der unteren Extremität, erklärt Riener. Diese Ziele konnten nur mit Hilfe einer so genannten »geschlossenen Schleife« (= geregelte Neuroprothese) erreicht werden. Anfang der Neunziger arbeiteten Neuroprothesen aber noch fast durchgehend mit offenen Schleifen. Bei einer geschlossenen Schleife messen Sensoren den Bewegungszustand und geben eine Rückmeldung an den Neurostimulator. Dieser kann dann gemäß eines einprogrammierten Regelgesetzes kontrollierend und korrigierend auf die Bewegung einwirken. Bei der offenen Schleife fehlt diese Rückführung. Die neue Technologie erfordert allerdings momentan noch einen enormen technischen Aufwand. Erst neueste Rechnergenerationen ermöglichen die komplexen Steuerungsabläufe. Hinzu kommen weitere Probleme: Durch die rasche Muskelermüdung sind nur begrenzte Laufstrecken möglich, und die nötigen Energiemengen lassen derzeit eine unabhängige Stromversorgung nicht zu. Ein echter Alltagsnutzen scheint deshalb bisher kaum erkennbar. Die Neuroprothesen für das Gehen blieben deswegen bisher Studienteilnehmern vorbehalten.

Forschung im Verbund

Geforscht wird im Rahmen eines europa-weiten Projektes, an dem Professor Riener bis Ende 2004 beteiligt ist. Das Forschungsprojekt »NeuralPRO« ist ein multidisziplinäres Netzwerk von Technologieexperten, Forschungsgruppen, Kliniken und Firmen, die gemeinsam an der Grundlagenforschung und Entwicklung neuer Strategien für die Neuroprothetik in den Bereichen Sensorik, Kontrolle und Stimulation arbeiten. Beteiligt sind Institutionen der Niederlande, Dänemark, England, Belgien, Italien und Deutschland. Die Forschungsprojekte laufen seit Oktober 2000 und werden noch bis Oktober 2004 fortgeführt. Koordiniert werden sie vom Institut für Biomedizintechnologie und der Universität von Twente in den Niederlanden. Eventuell wird es nach Beendigung im Oktober diesen Jahres ein Nachfolgeprojekt geben.

Die von den Forschern Robert Riener, Thomas Fuhr und Günther Schmidt der TU München im Rahmen des Projektes entwickelte »Gehneuroprothese« mit Namen »WALK! « ist ein sensorgesteuertes, geschlossenes System. Über die Handgriffe der Gehhilfen erteilt der Querschnittgelähmte Befehle an einen Computer, den er in einem Rucksack auf dem Rücken trägt. Diese Befehle können z.B. lauten: »Aufstehen«, »Gehen« oder »Treppensteigen«. Der Computer sendet daraufhin entsprechende Impulse an selbstklebende Oberflächen-Elektroden, die an den Beinen des oder der Betroffenen befestigt sind. Durch die elektrischen Impulse ziehen sich die entsprechenden Muskeln zusammen und eine Bewegung entsteht. Über zusätzliche Sensoren wird gleichzeitig die Belastung während des Gehens gemessen und an den Computer weitergeleitet. Dieser kann dadurch entsprechend mit angepassten elektrischen Reizen reagieren. Denn für eine Bewegung in der Ebene ist eine andere Muskelanspannung erforderlich, als für eine Bewegung beim Treppensteigen. Zusätzlich wurden Sensoren entwickelt, die ganz spezifisch messen, ob z.B. der Fuß richtig aufsitzt, in welcher Phase sich die Beine befinden, ob sie nach vorne geschwungen oder gestreckt werden müssen und wie hoch die Druckbelastung auf die Fußsohlen ist.

»Für mich sind ein paar Schritte die Welt«

Einen anderen Weg beschreitet man beim zweiten europäischen Verbundprojekt »SUAW« (»stand up and walk« - »Steh auf und geh«), an dem seit 1997 Experten aus Frankreich, Italien, England, Dänemark, Deutschland und den Niederlanden arbeiten. Sie präsentierten mit dem Franzosen Marc Merger einen Querschnittgelähmten, der mit Hilfe der Technik wieder auf seinen eigenen Beinen stehen und einige vorsichtige Schritte gehen kann. Möglich macht das ein Implantat, das aus drei Teilen besteht: einem Mikrochip, der im Bauch von Marc Merger implantiert ist, den Elektroden an den Nerven und einem externen Steuergerät. Der Chip ist über jeweils acht Kabel pro Bein mit den Stimulatoren an den Muskeln der Beine verbunden. Marc Merger steuert die Impulse über eine Fernbedienung, die in den Krücken integriert ist.

Der Unterschied geht unter die Haut. Bisher wurden die Elektroden meist auf der Hautoberfläche angebracht. Das hat Nachteile: Die externen Elektroden erreichen tiefer im Gewebe liegende Muskeln kaum. Außerdem verrutschen sie leicht und müssen immer wieder exakt positioniert und verkabelt werden. Forscher am Fraunhofer-Institut entwickelten daraufhin Elektroden, die direkt im Muskel implantiert werden können. Aber auch mit Hilfe dieser Technik kann der Betroffene bisher nur kleine Strecken mit Hilfe von Krücken oder einem Gehgestell zurücklegen. Dennoch, es ist ein Fortschritt und er macht Mut. Und so sagt auch Marc Merger, der Querschnittgelähmte, von einer Journalistin auf den nur geringen Erfolg angesprochen: »Für Sie sieht das vielleicht nicht nach viel aus, Sie sind gesund. Für mich aber sind ein paar Schritte allein die Welt ...«

Für eine optimale Rehabilitationsplanung ist es wichtig, möglichst frühzeitig Auskunft über Restfunktionen zu erhalten. Durch neurophysiologische Untersuchungen ist es laut Professor Dietz, Paraplegikerzentrum der Universitätsklinik Balgrist, möglich, schon etwa zwei Wochen nach dem Unfall verlässliche Prognosen liefern zu können.

Sind die elektrischen Impulse, die von den Armen zum Gehirn aufsteigen, gut erhalten, bildet sich bei über 80 Prozent der Betroffenen zumindest eine Aktivhand. Gleiches gilt auch für die Funktion der Beine. Sind keine aufsteigenden Impulse von den Beinen zum Gehirn vorhanden, wird es wahrscheinlich zu keiner Gehfähigkeit mehr kommen. Können hingegen Impulse festgestellt werden, erreichen etwa 75 Prozent der Betroffenen zumindest eine teilweise Gehfähigkeit.

Die gemessenen Daten sind darüber hinaus wichtig, um zu planen, inwieweit eine Versorgung mit Neuroprothesen oder ein Training mit dem Lokomaten positive Effekte für den Betroffenen haben kann.

paraplegiker 2/2004, Seite 6


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