Das Bein denkt mit

1024 Kilometer Fussmarsch liegen hinter ihm, als Roland Zahn am 6. Juli 2011 vor der Berufsgenossenschaftlichen Unfallklinik Tübingen einläuft – bei bester Gesundheit. 104 Tage war der 74-jährige Stuttgarter seit dem Start in seiner Geburtsstadt Leipzig unterwegs. Er wollte zeigen, dass er so weit laufen kann, auch ohne sein rechtes Bein. Nach einer Venenentzündung mit Blutvergiftung konnten die Ärzte der Tübinger Klinik sein Leben nur durch eine Amputation retten. Im Nachhinein erscheint das Roland Zahn wie ein zweiter Geburtstag, auf den Tag genau vor fünf Jahren.

Und nun: „Das eine Geburtshaus mit dem anderen verbunden”, schreibt er in seinem Internet-Tagebuch. Seine Motivation: „Ich möchte etwas für meine Gesundheit tun und anderen Amputierten Anstoß geben, sich mehr zu bewegen.” Er lud über seine Homepage zum Mitwandern ein, besuchte unterwegs Sanitätshäuser und hielt Vorträge. Das erste Jahr nach der Amputation hatte er selbst fast ausschließlich im Rollstuhl verbracht – weil es bequem war. Dann machten ihm seine Vermieterin und sein Orthopädietechniker regelrecht Beine und animierten ihn, doch wieder zu gehen und sogar zu wandern. Und so wurde er zum Pilger in Sachen Prothesen.

Zwölf Kilometer legte er im Schnitt am Tag zurück, über Stock und Stein, Wurzeln und Waldwege. Schon kleine Hindernisse oder abschüssige Strecken können bei einem solchen Marsch mit einer Prothese zum Problem werden, wenn das künstliche Knie unkontrolliert wegknickt. Die Angst zu stolpern ist ein ständiger Begleiter. Doch Zahns neues Bein bewegt sich fast so flüssig wie sein eigenes, und es ist sehr aufmerksam. Es denkt quasi mit. Das Hirn sitzt unterhalb des Knies: ein Mikroprozessor. Der verarbeitet die Informationen, die Sensoren über den aktuellen Kniewinkel, die Geschwindigkeit des Beins und die Belastung des Fußes liefern. Daraus schließt der Chip auf die momentane Gangphase und berechnet die Steuersignale für einen hydraulischen Dämpfer, der den schwingenden Unterschenkel abbremst und das Knie nach Bedarf stabilisiert. „Ich weiß, ich kann mich auf das Bein verlassen, und ich kann viel natürlicher laufen als mit einer mechanischen Prothese”, sagt Zahn. Doch er hat auch lange dafür kämpfen müssen: Erst nach dreimaligem Widerspruch genehmigte ihm die Krankenkasse das rund 26 000 Euro teure künstliche Bein.

WEDER STELZE NOCH PIRATENHAKEN

„C-Leg”, Computerized Leg, hat das Medizintechnik-Unternehmen Otto Bock diese Hightech-Prothese mit eigener Ästhetik getauft: Schienbein und Wade in metallischem Look verbergen die technischen Komponenten. Eine kosmetische Hülle ist möglich, aber gar nicht immer erwünscht. Künstliche Gliedmaßen haben längst das Stadium der „Holzbeine” verlassen. Was vor Jahrhunderten mit Stelzen und Piratenhaken begann, hat sich über bewegliche Knie- und Armprothesen mit einfachem Dreifingergriff zu einer Hightech-Disziplin entwickelt. Mit zunehmender Miniaturisierung und Leistungsfähigkeit elektronischer Komponenten sind intelligente Prothesen möglich geworden, die sich mit Sensoren und Mikroprozessoren selbst steuern oder über Muskel- und Nervenimpulse quasi per Gedanken steuern lassen.

Den menschlichen Körper imitieren

„Wir wollen den restlichen Körper entlasten und die verloren gegangenen Funktionen sowie das Erscheinungsbild so gut wie möglich und mit vertretbarem Aufwand wiederherstellen”, sagt Erik Laatsch, Leiter der Elektronikentwicklung bei Otto Bock. „Der Natur auf der Spur” lautet dabei die Devise. Doch das faszinierende Zusammenspiel von Knochen, Muskeln, Sehnen und Nerven, das dem Menschen so vielseitige, elegante und energiesparende Bewegungen ermöglicht, lässt sich nicht eins zu eins nachbauen. Dazu ist es zu kompliziert. „Wir können nur versuchen, die Biomechanik möglichst gut zu verstehen und ihre Funktionsweise mit immer besseren technischen Mitteln zu imitieren”, sagt Laatsch.

Im Testlabor herrscht Geisterstimmung. Ein Computerbein ist auf einsamer Wanderschaft. Eingespannt zwischen Sensoren und einer beweglichen Bodenplatte macht es in unverdrossenem Gleichtakt drei Millionen Schritte – so viele, wie der Mensch im Durchschnitt in fünf Jahren läuft. So lange soll eine Prothese mindestens halten. Das entspricht einem Marsch von Madrid nach Moskau. Auf halber Strecke, in Duderstadt, tüfteln Otto Bocks Ingenieure und Informatiker in enger Kooperation mit Medizinern und Orthopädietechnikern an immer besseren Prothesen.

schub durch ZWEI WELTKRIEGE

30 Kilometer schlängelt sich der Bus von Göttingen durch den Vorharz, nahe an die ehemalige Zonengrenze. Hierher, in die einsame Mitte Deutschlands, hat es das 1919 gegründete Unternehmen nach dem Zweiten Weltkrieg vom thüringischen Königsee verschlagen. Mittlerweile ist es weltweit tätig und gehört international zu den führenden Herstellern von Medizintechnik-Produkten. Nicht zuletzt die beiden Weltkriege haben die Entwicklung hochwertiger Körperersatzteile vorangetrieben. Heute werden in Deutschland vor allem Patienten versorgt, die wegen Durchblutungsstörungen, durch Unfälle oder Tumore Hand, Arm, Fuß oder Bein verloren haben. Die Amputierten können mit ganz unterschiedlichen Prothesensystemen versorgt werden, je nach ihrem Bedürfnis nach Mobilität. Manche gehen nur noch kurze Strecken, andere wollen und können sogar Sport treiben.

Damit die Bewegung des künstlichen Beins so natürlich wie möglich gelingt, analysieren die Entwickler ausgiebig die Gangphasen: Welche Kräfte wirken, wie schwingt das Bein, wann setzt der Fuß auf, und wie muss das Bein dabei stabilisiert werden? Besonders wichtig: das richtige Timing. Das alles macht der gesunde Mensch unwillkürlich, ohne darüber nachzudenken. In der Beinprothese übernimmt das ein Computer, der alle 0,02 Sekunden automatisch misst und regelt. Dadurch hat die Zahl der Stürze gegenüber herkömmlichen Prothesen signifikant abgenommen, wie diverse Studien belegen.

Gerade ist das neue C-Leg auf den Markt gekommen. Dank neuer Algorithmen verspricht es, noch besser geregelt und noch sicherer zu sein als die bisherigen Modelle. Und per Fernbedienung oder durch Wippen des Beins kann man es an unterschiedliche Anwendungen anpassen: Gehen, Fahrradfahren ohne Dämpfung oder andere sportliche Betätigungen wie Skaten oder Skilanglaufen. Obwohl das C-Leg eine passive Prothese ohne eigenen Antrieb ist, benötigt es Energie für die Steuerung. Sie kommt aus einem Akku, der täglich an der Steckdose aufgeladen werden muss. Wesentlich mehr Energie verbraucht das „Power Knee” der isländischen Firma Össur. Es enthält einen Motor, der das Knie bewegt. Das Power Knee liefert dem Körper Energie, die sich beispielsweise zum Treppensteigen nutzen lässt.

Energie aus dem auftreten

Die Stromversorgung ist auch bei Otto Bock ein Thema. Sie stellt wegen des hohen Energiebedarfs des C-Leg eine Herausforderung dar. „Wünschenswert wäre es, wenn man die Energie aus dem bestehenden System gewinnen könnte”, sagt Erik Laatsch. Bei Füßen gelingt das schon – mit elastischen Materialien, die die Energie beim Auftreten aufnehmen und beim Abrollen wieder abgeben können. Hier setzt Otto Bock etwa auf Blattfedern aus Karbon. Und so werden die 26 Knochen und zahlreichen Sehnen, Bänder und Muskeln des Fußes durch eine raffinierte, aber schlicht anmutende Konstruktion aus Karbonteilen ersetzt. Der Clou: Die Elastizität ändert sich während des Abrollens so, wie es der natürlichen Bewegung entspricht. „Doch selbst ein perfekt ausgeklügelter Fuß und das beste Knie nützen nichts, wenn die Prothese nicht sitzt”, bemerkt Entwicklungsleiter Laatsch. Es gibt diverse Ansätze, um den Schaft möglichst verträglich und stabil mit dem Stumpf zu verbinden. So wurden Systeme mit Unterdruck entwickelt, damit sich das Weichteil automatisch der individuell gefertigten Kunststoffhülle anpasst, obwohl es sein Volumen je nach Belastung ständig ändert.

Bei funktionellen Arm- oder Handprothesen ist die Schnittstelle zum Körper besonders wichtig, denn die Bewegungen der Prothesen sollen durch Körpersignale gesteuert werden. Zum Beispiel über die noch intakte Armmuskulatur ihres Trägers: Dabei macht man sich zunutze, dass ein kontrahierender Muskel einen elektrischen Impuls auf der Haut auslöst. Der wird dort von Elektroden abgefangen und dem Mikroprozessor zugeführt. Diese „ myo-elektrische” Steuerung ermöglicht es, die verschiedenen Funktionen der Prothese nacheinander anzusprechen.

Umschalten mit dem Armmuskel

Mit Training kann mit zurzeit zwei Elektroden am Arm eine flüssige Bewegung gelingen. Gesteuert wird mit zwei Armmuskeln – zum Beispiel einer zum Öffnen der Hand und einer zum Schließen. Spannt der Prothesenträger beide Muskeln an, schaltet er das Kunstglied eine Stufe weiter, etwa vom Ellbogen über das Handgelenk zur Hand. Je nachdem, wie schnell und wie fest er die Muskeln anspannt, kann die Prothese unterschiedlich rasch und kräftig darauf reagieren. Martin Wehrle, Mitarbeiter bei Otto Bock, beweist das in einer Koch-Show. Auf dem Speiseplan steht ein Asia-Wok-Gemüse mit marinierten Shrimps. Wehrle greift mit seiner Prothese die Ölflasche zum Anbraten, fasst zielsicher den Zahnstocher, auf den die Shrimps gesteckt werden, hält die Zucchini zum Schneiden auf dem Brett fest und die Möhre zum Schälen in der Hand. Mit dem Teigschaber streift er das Gemüse in die Pfanne und greift den Knopfdeckel einer Zuckerdose. Mit dieser auf Video gebannten Kücheneinlage präsentierte Otto Bock im Mai 2010 auf der Messe „Orthopädie und Reha-Technik” in Leipzig die Leistungsfähigkeit der myo-elektrischen Steuerung – und einen Prototypen der Handprothese „Michelangelo”.

Das ist ein großer Name, der einen Hinweis gibt auf die Größe der Aufgabe, die es bedeutet, das Wunderwerk der menschlichen Hand adäquat zu ersetzen. Denn diese ist zu einer unglaublichen Vielfalt an Bewegungen in der Lage und kann sich gefühlvoll bis kräftig um jede erdenkliche Form legen. Immerhin sieben verschiedene Griffe sind auch mit der Michelangelo-Hand möglich: Ein Motor bewegt dazu das Grundgelenk des Daumens, ein weiterer die Grundgelenke der vier übrigen Finger gemeinsam. Außerdem kann das Handgelenk in verschiedenen Stellungen eingerastet werden, ist sonst jedoch gedämpft beweglich. Das vermittelt zum Beispiel beim Händeschütteln einen natürlichen Eindruck.

Sensor im Daumen

In den Daumen ist ein Kraftsensor integriert, der Stärke und Richtung der Kraft beim Zudrücken misst, sodass eine ausgeklügelte Regelungstechnik nachjustieren kann, wenn ein Gegenstand aus der Hand zu rutschen droht. Zurzeit befindet sich die Michelangelo-Hand im Praxistest. Die Ergebnisse werden zeigen, welche der im Prototyp präsentierten Funktionen schließlich in die Serienfertigung übernommen werden, die Ende 2011 starten soll.

Eine noch größere Beweglichkeit ermöglicht die Fluidhand, die am BioRobotLab des heutigen Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) unter Leitung des Ingenieurs Stefan Schulz entwickelt wurde. Nach dem bionischen Vorbild des Spinnenbeins ist jeder einzelne Finger mit bis zu drei hydraulischen Antrieben ausgestattet: kleine Faltenbälge, die über den Gelenken sitzen. Erhöht sich der Druck der Flüssigkeit, dehnen sie sich aus und das Gelenk knickt ein. Die Steuerung erfolgt über Minipumpen, Ventile, Sensoren und einen Mikroprozessor. „Mit dieser Mini-Hydraulik kann man sehr kleine und bewegliche Hände realisieren”, erklärt Schulz. Wegen des gleich verteilten Drucks im hydraulischen System lassen sich zudem verschieden geformte Objekte einfach und sicher umschließen. Für ein serienreifes Produkt ist die Fluidhand aber bisher zu kompliziert und teuer. Stattdessen hat sich Schulz mit seinem jungen Unternehmen Vincent Systems auf einen Bereich konzentriert, für den es erst wenige Lösungen gibt: den Ersatz einzelner Finger oder Fingergruppen. Eines der Hauptprobleme dabei ist der vergleichsweise geringe Platz, auf dem alle Komponenten untergebracht werden müssen. Deshalb waren die mit einem kleinen Motor ausgestatteten Finger bisher immer sehr groß und unförmig, verglichen mit der übrigen Hand. Die Entwickler des Unternehmens Vincent Systems konzentrieren sich darauf, besonders kleine, leichte und dennoch leistungsstarke Komponenten zu entwickeln. „Wir befinden uns dabei immer an der Grenze der Leistungsfähigkeit von Materialien und Elektronik”, sagt Schulz.

Zehn verschiedene Greifmuster

Natürlich lassen sich die einzelnen Finger auch zu einer vollständigen „Vincent-Hand” zusammensetzen. Darin können vier Motoren für die Finger und zwei für die beiden Achsen der Daumenbewegung insgesamt zehn verschiedene Greifmuster ansteuern. Eine ähnlich große Beweglichkeit erreichen die beiden britischen Unternehmen Touch Bionics und RST Steeper mit ihren fünfmotorigen Prothesenhänden „iLimb” und „BeBionic”.

All diese Hände lassen sich myo-elektrisch über die Armmuskeln steuern. Forscher arbeiten aber daran, die für die eigentlichen Handbewegungen zuständigen Nerven in die Steuerung einzubinden. Berühmt wurde 2007 der damals 20 Jahre alte Österreicher Christian Kandlbauer, der durch einen Stromschlag beide Arme verloren hatte – einen davon an der Schulter. Um dennoch eine Prothese steuern zu können, verlegten ihm Ärzte die Reste seiner Armnerven in den Brustmuskel. Dort sprossen sie aus und konnten bestimmte Regionen im Brustmuskel aktivieren, von wo die Impulse mit Hautelektroden abgeleitet wurden. Diese Art der Kommunikation mit der Prothese kann man gedankengesteuert nennen, denn sie ist intuitiv und muss nicht extra erlernt werden: Der Gedanke an eine Arm- oder Handbewegung führt im Brustmuskel zur Kontraktion. Weil die Nerven gespreizt sind und verschiedene Muskelareale aktivieren, lassen sich so auch mehrere Bewegungen gleichzeitig ausführen. Christian Kandlbauer war der erste Europäer, der eine solche Prothese eingesetzt bekam. Er konnte eindrucksvoll die Alltagstauglichkeit der künstlichen Gliedmaßen beweisen. Inzwischen ist Christian Kandlbauer gestorben: Er kam im Oktober 2010 bei einem Verkehrsunfall ums Leben.

Aufwendige Mustererkennung

Grundsätzlich ist es schwierig, die myo-elektrischen Potenziale von der Haut abzuleiten. Eine aufwendige Signalaufbereitung und Mustererkennung in den Daten sind notwendig, um die Absichten eindeutig auszulesen. Forscher um Klaus-Peter Hoffmann, Abteilungsleiter für Medizintechnik und Neuroprothetik am Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik in St. Ingbert, arbeiten daran, Elektroden direkt in den Muskel zu implantieren. Die Energieversorgung sowie die Signalübertragung zwischen der Elektrode und dem Mikroprozessor sollen berührungslos über elektromagnetische Spulen realisiert werden, die sich außerhalb des Körpers befinden.

Noch einen Schritt weiter gingen die Fraunhofer-Forscher im EU-Projekt „Life-Hand” gemeinsam mit italienischen Kollegen: Sie entwickelten Elektroden, die direkt die Nerven anzapfen. Hier sind verschiedene Modelle denkbar: von Ring-Elektroden, die den ganzen Nerv umklammern, bis hin zu Sieb-Elektroden, durch die sich einzelne Nervenfasern kontaktieren lassen. „Das kann eine deutlich differenziertere Steuerung ermöglichen, allerdings ist es auch operativ wesentlich komplizierter und aufwendiger”, betont Hoffmann. Denn der einzelne Nerv besteht aus vielen Fasern, die unterschiedliche Erregungen weiterleiten können.

raue Oberfläche aus Platin

Solche implantierbaren Elektroden stellen besondere Herausforderungen an die Materialien: Sie müssen biologisch verträglich sein und dürfen in der salzhaltigen Körperflüssigkeit keinen Schaden nehmen, um lebenslang zuverlässig zu funktionieren. Außerdem sollen sie möglichst leicht und flexibel sein, um sich im Gewebe bewegen zu können, ohne es zu verletzen. Für die Life-Hand-Elektroden nutzten die Forscher den Kunststoff Polyimid als Basis. Die elektrischen Kontakte bestehen aus einer aufgerauten Platinschicht, um die Oberfläche künstlich zu vergrößern und dadurch die Signale besser erfassen zu können.

2009 wurden einem italienischen Patienten für 24 Tage vier dieser Elektroden vom Durchmesser eines menschlichen Haares implantiert: je zwei in den Nerven für Daumen und Zeigefinger und zwei für die anderen Finger. Die Chirurgen zogen die Elektroden längs durch den Nerv und schlossen sie mit dünnen Drähten durch die Haut an die Prothesensteuerung an. „Das war der erste Test an einem Menschen – und er war ein Erfolg”, freut sich Hoffmann: „ Der Patient konnte einzelne Griffe ausführen und eine Faust machen. Und wir konnten zeigen, dass Signale, die wir über dieselben Elektroden in den Nerv appliziert haben, im Gehirn ein Tastgefühl auslösen.”

Kampf gegen den Phantomschmerz

Auf diesen Effekt setzt auch der Medizintechnik-Ingenieur Thomas Stieglitz. Er hat an der Universität Freiburg den Lehrstuhl für Biomedizinische Mikrotechnik inne. In einem Forschungsprojekt verfolgt er das Ziel, den Phantomschmerz zu bekämpfen, der viele amputierte Patienten quält. Der Schmerz entsteht – so die gängige Theorie – dadurch, dass die Nerven brachliegen und in den entsprechenden Hirnarealen Ersatzreaktionen stattfinden. Die Idee der Forscher ist es daher, den Nerv zu beschäftigen – und zwar mit anderen Empfindungen als Schmerz. Auf diese Weise, so das Fernziel, sollen sich Gefühle direkt übertragen lassen, die von Sensoren in den Fingern aufgenommen werden. Ansätze für eine solche haptische Sensorik gibt es bereits. So haben die KIT-Forscher für die Fluidhand Vibrationssensoren entwickelt, die die Oberflächenbeschaffenheit erspüren können. Auch im Unternehmen Otto Bock arbeiten die Ingenieure daran.

Dass man mit technischer Raffinesse das Empfindungsvermögen des natürlichen Vorbilds erreichen kann, hält Klaus-Peter Hoffmann allerdings für unmöglich. Denn das Gefühl der menschlichen Hand speist sich aus etwa 17 000 Rezeptoren. Diese Zahl zeigt nicht nur die Größe der Aufgabe, vor der die Medizintechnik steht, wenn sie dem Menschen verloren gegangene Körperfunktionen ersetzen will. Man müsse auch abwägen, ob es stets nötig sei, dem Original so nah wie möglich zu kommen, meint Hoffmann. So wollten viele Patienten zwar eine Rückmeldung ihrer Prothese über die Kraft haben, aber nicht unbedingt über die Temperatur oder Struktur einer angefassten Oberfläche – zumal, wenn dafür eine aufwendige und womöglich riskante Operation erforderlich wäre. ■

Uta Deffke ist Wissenschaftsjournalistin in Berlin. Die Physikerin begeistert sich für die Forschung im Grenzbereich zwischen Mensch und Technik.

von Uta Deffke