Ein Rollstuhl, der sich allein durch Gedankenkraft fortbewegt und sicher durch die Wohnung rollt – in einem Schweizer Labor gibt es das. Forscher an der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) haben das Gefährt entwickelt für Menschen mit Querschnittslähmung oder einer degenerativen Muskelerkrankung wie Multiple Sklerose: Es folgt dem Willen des Fahrenden, schlängelt sich durch Räume und Korridore und weicht dabei automatisch allen Hindernissen aus – bis das gewünschte Ziel erreicht ist.
Wie das geht, konnte kürzlich eine Gruppe von südkoreanischen Studenten beobachten, die die Entwickler im Team von José Millán besuchten. Die Studierenden waren erstaunt, als der Elektroingenieur Tom Carlson mit dem Rollstuhl durch die engen Gänge des Labors kurvte und ihnen geschickt auswich – dazu aber weder Hände noch Füße bewegte. Stattdessen hatte Carlson seinen Blick fest auf einen kleinen Bildschirm am Rollstuhl geheftet. Am auffälligsten war seine Kopfbedeckung: eine eng anliegende Kappe mit roten, knopfartigen Anschlüssen, aus denen 17 am Hinterkopf als Rossschwanz gebündelte Kabel die Hirnströme des Forschers zu einem Computer unter dem Sitz leiteten.
Millionstel Volt genügen
Die Studierenden aus Korea zückten Kameras, machten Notizen und tauschten Kommentare aus, bis der Rollstuhlfahrer nach etwa fünf Minuten seine Demonstration abbrach. Nicht etwa, weil die Technik versagte, sondern weil es ihm nicht mehr gelang, die Kommunikation mit dem Navigationscomputer aufrechtzuerhalten. Die munteren Asiaten störten seine Konzentration, sodass er seine Fahrbefehle nicht mehr verständlich per Gedanken mitteilen konnte.
Störend waren auch die Fotoapparate und Handys, deren elektromagnetische Wellen den fragilen Botschaften zusetzten. Diese Botschaften bestehen aus elektrischen Spannungsimpulsen von 10 bis 20 Millivolt Stärke, die auf der Hirnrinde generiert werden. Auf dem Weg zu den Messfühlern auf der Kopfhaut werden sie durch die Hirn-Rückenmark-Flüssigkeit, die Hirnhaut und den Schädelknochen auf etwa ein Tausendstel abgeschwächt. Mit den übrig gebliebenen winzigen Spannungen von Millionstel Volt muss das System zurechtkommen.
Die Funktion des Rollstuhls basiert auf einer Technologie, die Experten als Gehirn-Computer-Schnittstelle oder Brain-Computer-Interface (BCI) bezeichnen und die seit etlichen Jahren an verschiedenen Universitätszentren erforscht und entwickelt wird. Der Kernpunkt der BCI sind die an der Hirnoberfläche angezapften Ströme, die sich als Befehle zum Lenken eines Rollstuhls oder zum Steuern anderer technischer Geräte nutzen lassen. An dieser Schnittstelle waren die Forscher bislang gescheitert.
Unhaltbare Versprechen
Mitunter tauchten in den Medien Versprechen auf, die nicht haltbar waren. So fand die Firma Neurovigil des kanadischen Unternehmers Philip Low im Sommer 2012 den Weg in die Spalten der New York Times, als Low den an ALS (Amyotropher Lateralsklerose) erkrankten britischen Astrophysiker Stephen Hawking als Testpatient für sich gewinnen konnte. Mit der Neurovigil-Software „iBrain” wollte Low Hawkings Gedanken für die Fahrt im Rollstuhl nutzbar machen. Doch es blieb bei der Schlagzeile. Hawking wird weiter, wie bisher, über seine Backenmuskeln einen Infrarotsensor auslösen, um mit einem Computer zu kommunizieren. Low war in seiner Forschung noch nicht weit genug. Neurovigil bescherte der Bericht in den USA dennoch viel öffentliche Aufmerksamkeit – und Geld von Investoren.
Auch nach der kurzen Vorführung in Lausanne steht die Frage im Raum, wie zuverlässig Behinderte im Alltag mit Gedanken den Rollstuhl lenken können, wenn das einem Entwickler wie Tom Carlsson unter etwas erschwerten Bedingungen nach wenigen Minuten nicht mehr gelingt. Doch die Sorge, der Rollstuhl könnte unkontrolliert durchs Zimmer sausen, ist unbegründet, versichern die Lausanner Konstrukteure am EPFL-Institut für Bioengineering. Denn sie haben den Behindertenrollstuhl zu einem Roboter aufgerüstet, der sich selbst in belebter fremder Umgebung zurechtfindet. Hindernisse umfährt er oder bleibt in sicherer Distanz davor stehen. Der technische Aufwand dafür ist beträchtlich: Etliche Kameras und Sensoren sind ständig im Einsatz, um den Rollstuhl auf einer kollisionsfreien Bahn zu halten.
Bauteile aus dem E-Shop
Der Aufpreis für dieses intelligente Gefährt wird sich in Grenzen halten. „Die Bauteile sind in jedem Elektronikladen erhältlich”, sagt Tom Carlson, der in seiner Doktorarbeit am Imperial College in London einen Roboterrollstuhl entwickelt hat: zwei USB-Webcams zu je unter 30 Euro und zehn kleine Ultraschallsensoren für ungefähr je 10 Euro das Stück. Der Aufwand steckt in der Programmierung der Software und die Intelligenz im PC unter dem Rollstuhlsitz.
„Jeder der Sensoren dort tastet zehn Mal pro Sekunde die Umgebung ab”, erklärt Carlson. Die elektronischen Fühler dienen als virtuelle Stoßstangen, die den Rollstuhl 15 Zentimeter vor einem Hindernis anhalten. Die von den beiden Kameras eingefangenen Bilder werden über Erkennungsmuster nach einem simplen Prinzip analysiert: Was nicht als Boden erscheint, gilt als Hindernis.
Um die Umgebung zu erkennen, filtert die Software aus den Objekten Kanten und Bildtiefe heraus. Und sie reduziert die Bilder per „Watershed”-Algorithmus zu reliefartigen Segmenten, die eine Analyse in Echtzeit ermöglichen. Der Computer kombiniert die Informationen fortlaufend mit den Distanzangaben der Sensoren und bildet daraus die Umgebung des Rollstuhls als Raster in zehn räumlichen Zonen ab. Dieses Raster hilft zu entscheiden, ob der Rollstuhl das Hindernis besser links oder rechts umfahren soll – oder ob er, wenn es sich nicht umfahren lässt, davor stoppt. Die Befehle dazu übermittelt der Computer den beiden Antriebsrädern unter dem Sitz, die auf einer Starrachse laufen.
Richtungsänderungen sind auch ohne Einlenken möglich. Bei einer gedanklichen Anweisung nach rechts dreht sich das linke Antriebsrad schneller als das rechte – und umgekehrt. Den Vortrieb der Räder kontrollieren zwei angeflanschte Innenräder, die bei jeder Drehung des Antriebsrads 128 Rückmeldungen geben. Die aufwendige Fahrhilfe des Rollstuhls basiert auf jahrelanger Forschung in den Robotik-Labors der Eidgenössischen Technischen Hochschulen in Lausanne und Zürich.
Die EPFL-Ingenieure haben damit die Voraussetzung dafür geschaffen, dass sich Behinderte im Rollstuhl voll auf ihre Gedanken konzentrieren können. Dazu wird ihnen eine Spezialkappe mit Aussparungen aufgesetzt, durch die die Elektroden an die Kopfhaut geführt und dort mit elektrisch leitendem Gel angeheftet werden.
Die Übermittlung und Interpretation der feinen Ströme, die durch die Elektroden als Elektroenzephalogramm (EEG) aus dem Gehirn gefiltert werden, hatte sich Projektleiter José Millán einfacher vorgestellt. Der in Barcelona als Computerwissenschaftler ausgebildete Forscher hatte im italienischen Varese an der gemeinsamen Forschungsstelle der Europäischen Kommission die Interaktion zwischen Menschen und Robotern ins Visier genommen. Sein Ziel war es, gelähmten Menschen Automaten über das Hirn dienstbar zu machen.
Zur Initialzündung für seine aktuelle Arbeit in Lausanne kam es in Kalifornien, berichtet Millán: „1995, am letzten Tag meines Forschungsaufenthalts an der Stanford University sah ich zum ersten Mal ein portables EEG-Gerät” – einen Apparat, mit dem sich Gehirnströme messen lassen. Spontan sei ihm dabei der Gedanke gekommen, ein Gerät zu bauen, das Gedanken verstehen kann. „Das wird eine Frage von sechs Monaten sein”, dachte der damals 28- jährige Informatiker euphorisch. Heute lacht er darüber und gesteht: „Ich war naiv. Tatsächlich habe ich fast drei Jahre gebraucht, bis ich unterscheidbare Muster für einfache Anweisungen aus den Hirnsignalen herausfiltern konnte.”
Jedes Hirn ist anders
Was war das Problem? Zum einen war die Annahme falsch, dass Bewegungen, die sich ein Mensch in Bildern vorstellt, sich in klar interpretierbaren Stromimpulsen niederschlagen. Dazu kommt, dass jeder Mensch ein individuelles Hirnstrom-Muster zeigt. Und es war ein Irrtum zu glauben, das Hirn führe spezifische Aufgaben an genau lokalisierbaren Stellen durch, räumt Millán ein: „ Offenbar beschäftigt jedes menschliche Gehirn andere Regionen, um ein bestimmtes Körperteil zu bewegen.”
Schließlich geriet eine bestimmte Hirnregion in den Fokus des Forschers: der primäre Motorcortex – ein schmaler Streifen der Großhirnrinde, der von Ohr zu Ohr quer durch den Kopf führt. Er verläuft zwischen jenen Stellen, wo die Bügel eines Kopfhörers anliegen. Auf diesem Streifen lassen sich die Orte im Gehirn lokalisieren, die elektrisch aktiv werden, wenn man Gesicht, Augen, Finger, Hände, Arme, Beine oder Füße bewegt. Diese Aktivitäten verlaufen seitenverkehrt. Beim Bewegen der linken Hand ist eine Stelle auf der rechten Hälfte der Großhirnrinde aktiv, bei einer Handbewegung rechts eine Stelle auf der linken Hälfte.
Weil Körperbewegungen, bewusst oder unbewusst, über das Gehirn eingeleitet werden, lagen die Forscher richtig in der Annahme, dass allein die Vorstellung, eine bestimmte Bewegung mit Hand oder Fuß auszuüben, die zugehörige Hirnregion aktiviert. Und die Tests in Lausanne zeigten, dass das genauso funktioniert, wenn ein gelähmter Mensch die Bewegung physisch nicht ausführen kann. Schwierig ist es allerdings, die einzelnen Stellen im Motorcortex zielgenau aufzuspüren.
Computer lernt Hirnstrommuster
„Aus diesem Grund haben wir ein maschinelles Lernverfahren entwickelt, mit dem der Computer die Muster von Hirnströmen erkennen und interpretieren kann”, weist Millán auf die im Rollstuhl installierte Software hin. Der Informatiker und Medizintechniker Robert Leeb, der zuvor am Institut für Human-Computer Interfaces der Technischen Universität Graz forschte, hat dieses Verfahren in Lausanne weiterentwickelt, um es leichter verständlich zu machen.
In der Suva-Care Reha-Klinik in Sion im Schweizer Kanton Wallis betreuen 250 Pflegende 110 stationäre Behinderte, von denen die meisten querschnittsgelähmt sind. Im zweiten Stock des modernen Klinikkomplexes sitzt an diesem Nachmittag José Da Costa im Bett. Der 48-jährige Portugiese, dessen Oberkörper vom hochgestellten Kopfteil gestützt wird, wartet auf das Training mit der speziellen, von Leeb konzipierten EPFL-Software. Auf dem Kopf trägt er die Kappe mit den anderthalb Dutzend Elektroden. Ingenieur Tom Carlson unterstützt ihn beim Test.
Der Computer gibt Anweisungen über einen grauen horizontalen Balken auf dem Monitor. Sobald darin ein kleiner, nach links gerichteter Pfeil erscheint, stellt sich Da Costa eine Bewegung mit der linken Hand vor. Vier Sekunden später verfärbt sich die linke Seite des Balkens blau. Der Computer zeigt so, dass er die für die linke Handbewegung typischen Hirnströme erkannt hat und fügt das Muster zu den gespeicherten Werten hinzu, die bei früheren Sitzungen mit Da Costa aufgezeichnet wurden.
Zum Kalibrieren der Software wird der Mittelwert als Erkennungsmuster errechnet. Mit einem nach rechts gerichteten roten Pfeil initiiert der Computer dieselbe Übung für die Vorstellung einer Bewegung nach rechts. Dazu stellt sich der Portugiese vor, dass er mit den Füßen wippt. Versuche hatten bei ihm ergeben, dass Gedanken ans Fußwippen ein besser erkennbares Hirnstrommuster auslösen als solche an eine Bewegung der Hand.
Training per telefon
Nach ein paar Wiederholungen hat der Computer Da Costas Gedankenmuster neu kalibriert. Die Fahrt im Rollstuhl kann beginnen, wenn auch bei diesem Training nur virtuell. Per Videotelefon wählt sich Carlson ins EPFL-Labor in Lausanne ein. Danach pilotiert José da Costa einen kleinen Roboter durch die Forschungsräume. Seine gedanklichen Befehle kommen störungsfrei beim über 100 Kilometer entfernten Roboter an. Stellt sich Da Costa eine Bewegung nach links vor, zeigt ihm der blaue Balken, dass der Computer ihn verstanden hat. Durch die Webcam des Roboters sieht er, wie sich das Gefährt um 45 Grad nach links dreht und durch den Flur fährt.
Der Patient aus Portugal ist einer von 23 Testpersonen, die im EU-Projekt „Tools for Brain Computer Interaction” (Tobi) erproben, ob sich der Rollstuhl für gelähmte oder an schweren Muskelerkrankungen leidende Menschen eignet. Zu den Probanden gehörten bis vor Kurzem auch zwei Patienten aus Heidelberg, die in der Klinik für Paraplegiologie betreut werden. „Die beiden Querschnittsgelähmten, die nur ihren Kopf bewegen können, waren von der Technologie angetan und haben die Bedienung des Roboters schnell erlernt”, berichtet der Ingenieur Rüdiger Rupp, der die Tests betreute.
José Da Costa kann den positiven Eindruck bestätigen. Doch an diesem Tag ist er unruhig. Sein Druckgeschwür, das ihn zur medizinischen Behandlung in die Schweiz kommen ließ, schmerzt. Das Klicken der Kamera beim Pressetermin und die Anwesenheit des Journalisten tragen dazu bei, dass manche seiner Gedanken nicht als Befehl bis zu der Maschine durchdringen.
Da Costa, der früher in Genf als Maurer arbeitete, geriet als 26-Jähriger auf dem Weg zur Arbeit in einen Verkehrsunfall. Seither ist er vom fünften Halswirbel abwärts gelähmt und kann nur noch Arme und Hände schwach bewegen. Die Auswertung der Experimente mit ihm und anderen Patienten zeigt, dass behinderte Menschen ihre Gedanken an Bewegungen genauso gut artikulieren können wie gesunde. Und: Übung macht den Meister. Wenn gesunde Menschen erst einmal mit dem Rollstuhl vertraut sind, lenken sie ihn per Gedankenkraft fast so schnell wie mit einem Joystick, ergaben Tests im Team von José Millán.
Komplizierte Dialoge sind Utopie
Damit ist der Weg geebnet für reale Tests mit Behinderten. Sie werden sich auf eindeutige Bewegungsabläufe konzentrieren. Der Wunsch, über Hirnströme auch komplizierte Anweisungen oder Dialoge an die Maschine weitergeben zu können, ist vorerst noch Utopie. Dennoch ist die in Lausanne entwickelte Technologie zur Gedankenübertragung derzeit die weltweit fortschrittlichste.
Andere Lösungen basieren darauf, dass das Gehirn auf visuelle oder akustische Reize nach etwa 300 Millisekunden mit einem elektrischen Stromsignal antwortet, weshalb Geräte mit dieser Technik meist die Zusatzbezeichnung P300 tragen. Der Behinderte reagiert auf ein vorgeschlagenes Ziel wie Toilette, Büro oder Haustür, das als Symbol auf dem Bildschirm aufleuchtet. Wenn er sich darauf konzentriert, beginnt die Fahrt, wobei der Computer das gedachte Ziel strikt ansteuert.
„Bei unserem Modell dagegen entscheidet der Fahrer spontan, in welche Richtung er fahren will”, sagt der Lausanner Informatiker Leeb. „Der Computer präsentiert keine Auswahl, sondern er arbeitet asynchron – das heißt, er ist ständig auf Empfang, um die Gedanken umsetzen zu können.” Dabei muss allerdings dafür gesorgt sein, dass der Computer, wenn der Fahrer kein Bewegungsbedürfnis signalisiert, dessen Hirnströme nicht irrtümlich als Befehl etwa für ein Wendemanöver interpretiert. Denn die Behinderten verbringen die meiste Zeit im Rollstuhl, wenn dieser fest an einem Ort steht.
Dieses Problem lässt sich lösen, indem leichte Aktivitäten der Muskeln, über die die meisten Behinderten noch verfügen, für das Ein- und Ausschalten der Rollstuhlfahrt dienen. Diese Muskelbewegungen lassen sich an der Hautoberfläche als elektrische Impulse per Elektromyographie (EMG) erfassen und als Computersignal nutzen. Das Team von José Millán setzt EMG in Kombination mit EEG in der Suva-Care Reha-Klinik in Sion bereits bei Schlaganfallpatienten therapeutisch ein. Wenn sich ein Patient etwa eine Bewegung mit der rechten, nach einem Hirnschlag gelähmten Hand vorstellt, leiten die Mediziner das dazugehörige EEG-Signal an einen sogenannten Funktionellen Elektrischen Simulationsimpulsgeber (FES), der die Handbewegung ausführt. Die ersten Therapieversuche verliefen vielversprechend. ■
Christian Bernhart ist Wissenschaftsjournalist in Bern – und froh darüber, dass die Gedanken generell immer noch frei sind.
von Christian Bernhart (Text) und Chris Blaser (Fotos)
