Ein Gedanke, ein Griff
Gelähmte Hand greift mit Exoskelett-Handschuh wieder
Mit einem Handschuh der TU München kann ein Patient mit seiner nahezu gelähmten Hand wieder zugreifen. Die kostengünstige Exoskelett-Technik könnte vielen Betroffenen von Schlaganfällen, Unfällen oder degenerativen Nervenerkrankungen helfen.
Patienten mit weitgehend gelähmten Händen, etwa aufgrund von ALS (amyotropher Lateralsklerose), können mit einem an der Technischen Universität München entwickelten Handschuh wieder zupacken, willentlich und binnen Sekunden. Die Forscher um Gordon Cheng haben ihr Soft-Hand-Exoskelett als ein kostengünstiges pneumatisches System aufgebaut [1]. Mit Sensoren versuchen sie, aus Nervenimpulsen der Unterarmmuskulatur nicht exakte Bewegungsmuster abzulesen [2], sondern schlicht die Absicht vorherzusagen, dass der Patient mit der Hand greifen will.
Sehr wenige Muskelsignale
Der Beispielpatient mit ALS konnte aus eigener Kraft nur noch die obere Kuppe des Daumens ein wenig bewegen. Chengs Team registrierte mit einem Sensor die elektrischen Signale der Unterarmmuskulatur (Video via ct.de/yuh2). Wichtig war es ihm, daran schnell und möglichst sicher abzulesen, ob der Patient zugreifen will oder nicht. Mit den unscharfen Messdaten trainierten die Forscher per maschinellem Lernen ein individuelles Modell. „Wir machen keine Signalverarbeitung, um komplexe Muskelbewegungen zu detektieren. Es ist mehr eine Vorhersage, ob der Patient ein Objekt fassen will oder nur leicht zuckt“, sagte Cheng der c’t. Dabei gehe Geschwindigkeit vor Genauigkeit. „Unsere Exoskelett-Hand soll möglichst noch in der Sekunde zugreifen, in der der Mensch das vorhat.“ Längere Latenzen und Fehlinterpretationen sorgten sonst schnell für Frust beim Patienten.
Um die Trainingsdaten für das maschinelle Lernen zu sammeln, gestalteten die Forscher eigens eine Art Jump-and-Run-Videospiel. Mittels eines EMG-Sensors (Elektromyografie, Messung der Aktionsströme von Muskeln) am Unterarm nahmen sie die willentlichen Impulse an den Daumen auf. Am Ende gelang es ihnen mit ihrem Modell, die Intention des Patienten mit 97-prozentiger Sicherheit treffend abzuleiten. „Er schließt damit die Hand nahezu in dem Moment, in dem er das auch vorhatte“, unterstreicht Cheng. Er geht allerdings davon aus, dass immer eine individuelle Trainingsphase für das Datenmodell erforderlich ist.
Preiswert pneumatisch
Die Exoskelett-Hand aus München besteht aus einem einfachen Stoffhandschuh mit angenähten Luftkissen. Beim Prototyp lassen sich diese über 13 Schläuche aufpumpen. Die Luftkissen können alle fünf Finger einzeln krümmen oder strecken und zusätzlich das Handgelenk drehen.
Beim Greifen umschließt die Hand ganz natürlich die Objektform, ob es sich um ein Tetrapak handelt, eine Banane oder Messer und Gabel. Der einstellbare pneumatische Druck des Handschuhs begrenzt die Greifkraft. Zudem können die Forscher vor dem Zupacken unterschiedliche Handhaltungen einstellen. Auch gesunde Menschen denken nur selten bewusst darüber nach, beim Greifen gezielt eine passende Fingerstellung zu bilden. Viel öfter packt man einfach zu und die Hand umschließt das Objekt automatisch.
Damit der Griff sich nicht versehentlich löst und alles zu Boden fällt, während der Patient gerade einen Obstteller von der Küche ins Esszimmer trägt, hat das Team zusätzlich Bewegungssensoren eingenäht. Sie sollen Bewegungen beim Transport erkennen; wenn jemand etwas trägt, soll sein Griff zuverlässig geschlossen bleiben.
Hilfe auch nach Schlaganfall
„Grundsätzlich kann dieser Handschuh allen Menschen helfen, die unter schlaffen Lähmungen leiden“, sagt Tobias Wächter, Neurologe von der Klinik Passauer Wolf, einem Kooperationspartner des Projekts. So etwas kann beispielsweise nach Motorrad- oder Fahrradunfällen auftreten, wenn periphere Nerven geschädigt sind, oder aufgrund einer Polyneuropathie. Die Forscher planen, ihren Handschuh auch mit Schlaganfallpatienten zu erproben.
Cheng sieht seinen Ansatz auch für andere Körperbereiche als geeignet an, etwa um Beine, Arme, Ellbogen oder Schultern zu bewegen. Er denkt auch an ein Spin-off, um die Technik breit verfügbar zu machen. Allerdings ist es noch zu früh, dafür einen Termin zu nennen. (agr@ct.de)
Video und Zusatzmaterial: ct.de/yuh2