Prothese nach Oberschenkel-Amputation Ein ins Gewebe integriertes, bionisches Knie stellt natürliche Bewegung wieder her

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Forscher des MIT haben ein neuartiges bionisches Knie entwickelt, mit dem Menschen mit Oberschenkelamputationen schneller gehen, Treppen steigen und Hindernissen leichter ausweichen können als mit einer herkömmlichen Prothese.

Im Gegensatz zu Prothesen, bei denen der Stumpf in einem Schaft sitzt, ist das neue System direkt mit dem Muskel- und Knochengewebe des Nutzers verbunden. Dies ermöglicht eine größere Stabilität und gibt dem Benutzer mehr Kontrolle über die Bewegung der Prothese. Die Teilnehmer einer kleinen klinischen Studie berichteten auch, dass sich die Gliedmaße mehr wie ein Teil ihres eigenen Körpers anfühlte, verglichen mit Menschen, die eine herkömmliche Amputation oberhalb des Knies hatten.

„Eine gewebeintegrierte Prothese, die im Knochen verankert ist und direkt vom Nervensystem gesteuert wird, ist nicht nur ein lebloses, separates Gerät, sondern vielmehr ein System, das sorgfältig in die menschliche Physiologie integriert ist und ein höheres Maß an prothetischer Verkörperung bietet. Es ist nicht einfach ein Werkzeug, das der Mensch benutzt, sondern ein integraler Bestandteil seiner selbst“, sagt Hugh Herr, Professor für Medienkunst und -wissenschaften, Co-Direktor des K. Lisa Yang Center for Bionics am MIT, assoziiertes Mitglied des McGovern Institute for Brain Research des MIT und Hauptautor der neuen Studie.

AMI-Ansatz verbindet durchtrenne Muskelpaare wieder miteinander

In den letzten Jahren hat Herr's Labor an neuen Prothesen gearbeitet, die neuronale Informationen von Muskeln, die nach einer Amputation zurückgeblieben sind, extrahieren und zur Steuerung einer Prothese nutzen können.

Bei einer herkömmlichen Amputation werden i. d. R. Muskelpaare, die sich abwechselnd strecken und zusammenziehen, durchtrennt, wodurch die normale Agonist-Antagonist-Beziehung der Muskeln gestört wird. Diese Unterbrechung macht es dem Nervensystem sehr schwer, die Position eines Muskels und die Geschwindigkeit seiner Kontraktion zu erkennen.

Mit dem neuen chirurgischen Ansatz, den Herr und seine Kollegen entwickelt haben und der als agonist-antagonist myoneuronal interface (AMI) bezeichnet wird, werden die Muskelpaare während der Operation wieder miteinander verbunden, sodass sie innerhalb des Stumpfes weiterhin dynamisch miteinander kommunizieren. Diese sensorische Rückmeldung hilft dem Prothesenträger bei der Entscheidung, wie er die Gliedmaße bewegen soll, und erzeugt außerdem elektrische Signale, die zur Steuerung der Prothese verwendet werden können.

Implantat überträgt Muskelsignale

In einer vorhergehenden Studie aus dem Jahr 2024 hatten die Forscher bereits demonstriert, dass Menschen mit Amputationen unterhalb des Knies, die die AMI-Operation erhielten, schneller gehen und sich natürlicher um Hindernisse herum bewegen konnten als Menschen mit herkömmlichen Amputationen unterhalb des Knies. In der nun darauf folgenden Untersuchung erweiterten die Forscher den Ansatz, um Menschen mit Amputationen oberhalb des Knies besser helfen zu können. Sie wollten ein System entwickeln, das nicht nur die Signale der Muskeln mithilfe von AMI auslesen, sondern auch in den Knochen integriert werden kann, um mehr Stabilität und ein besseres sensorisches Feedback zu bieten.

Um dies zu erreichen, entwickelten die Forscher ein Verfahren, bei dem ein Titanstab in den verbleibenden Oberschenkelknochen an der Amputationsstelle eingesetzt wird. Dieses Implantat ermöglicht eine bessere mechanische Kontrolle und Lastaufnahme als eine herkömmliche Prothese. Darüber hinaus enthält das Implantat 16 Drähte, die Informationen von Elektroden sammeln, die sich an den AMI-Muskeln im Körper befinden, was eine genauere Übertragung der von den Muskeln kommenden Signale ermöglicht.

Dieses knochenintegrierte System, bekannt als „e-OPRA“, überträgt AMI-Signale an eine neue, speziell für diese Studie entwickelte Robotersteuerung. Die Steuerung nutzt diese Informationen, um das Drehmoment zu berechnen, das erforderlich ist, um die Prothese so zu bewegen, wie der Benutzer es wünscht.

„Alle Teile arbeiten zusammen, um Informationen besser in den und aus dem Körper zu bekommen und eine bessere mechanische Schnittstelle zum Gerät zu schaffen“, sagt Tony Shu, Doktorand und Hauptautor der begleitenden Studie, die im Fachblatt Science erschienen ist. „Wir belasten direkt das Skelett, also den Teil des Körpers, der belastet werden soll, im Gegensatz zu den Sockeln, die unbequem sind und zu häufigen Hautinfektionen führen können.

Mehr Kontrolle über Bewegungsabläufe

In dieser Studie erhielten zwei Probanden das kombinierte AMI- und e-OPRA-System, eine so genannte osseointegrierte mechanoneurale Prothese (OMP). Diese Probanden wurden mit acht Probanden verglichen, die die AMI-Operation, aber nicht das e-OPRA-Implantat erhielten, sowie mit sieben Probanden, die weder AMI noch e-OPRA erhielten. Alle Probanden benutzten abwechselnd eine experimentelle, vom Labor entwickelte elektrische Knieprothese.

Die Forscher maßen die Fähigkeit der Teilnehmer, verschiedene Aufgaben auszuführen, darunter das Beugen des Knies in einem bestimmten Winkel, Treppensteigen und das Überwinden von Hindernissen. Bei den meisten dieser Aufgaben schnitten die Nutzer des OMP-Systems besser ab als die Probanden, die zwar die AMI-Operation, nicht aber das e-OPRA-Implantat hatten, und viel besser als die Nutzer herkömmlicher Prothesen.

„Diese Arbeit stellt die Erfüllung einer Vision dar, die die wissenschaftliche Gemeinschaft seit langem verfolgt – die Umsetzung und Demonstration eines vollständig physiologisch integrierten, willentlich gesteuerten Roboterbeins“, sagt Michael Goldfarb, Professor für Maschinenbau und Direktor des Zentrums für intelligente Mechatronik an der Vanderbilt University, der nicht an der Forschung beteiligt war. „Das ist eine wirklich schwierige Arbeit, und die Autoren verdienen große Anerkennung für ihre Bemühungen, ein so anspruchsvolles Ziel zu erreichen.

Neues Körpergefühl

Neben der Prüfung des Gangs und anderer Bewegungen stellten die Forscher auch Fragen, mit denen sie das Körpergefühl der Teilnehmer bewerten wollten, also inwieweit sich ihre Prothese wie ein Teil ihres eigenen Körpers anfühlte. Zu den Fragen gehörte, ob die Patienten das Gefühl hatten, zwei Beine zu haben, ob sie das Gefühl hatten, die Prothese sei ein Teil ihres Körpers, und ob sie das Gefühl hatten, die Prothese zu kontrollieren. Jede Frage sollte die Gefühle der Teilnehmer in Bezug auf ihre Handlungsfähigkeit, den Besitz des Geräts und die Repräsentation ihres Körpers bewerten.

Die Forscher stellten fest, dass die beiden Probanden mit dem OMP im Laufe der Studie ein viel stärkeres Gefühl der Handlungsfähigkeit und des Besitzes entwickelten als die anderen Probanden. „Ein weiterer Grund für die Bedeutung dieser Studie ist die Tatsache, dass sie sich mit Fragen der Verkörperung befasst und große Verbesserungen des Gefühls der Verkörperung zeigt“, sagt Herr. „Egal, wie ausgeklügelt die KI-Systeme einer Roboterprothese sind, sie wird sich für den Benutzer immer noch wie ein Werkzeug anfühlen, wie ein externes Gerät. Bei diesem gewebeintegrierten Ansatz hingegen wird der Benutzer, wenn er gefragt wird, was sein Körper ist, umso eher sagen, dass die Prothese ein Teil von ihm selbst ist, je mehr sie integriert ist.“

Das AMI-Verfahren wird jetzt routinemäßig bei Patienten mit Amputationen unterhalb des Knies am Brigham and Women's Hospital durchgeführt, und Herr geht davon aus, dass es bald auch bei Amputationen oberhalb des Knies zum Standard werden wird. Das kombinierte OMP-System muss in größeren klinischen Studien getestet werden, um die FDA-Zulassung für die kommerzielle Nutzung zu erhalten, was laut Herr etwa fünf Jahre dauern kann.

Originalveröffentlichung auf MIT News vom 10. Juli 2025. Übersetzung Sebastian Gerstl.

Dieser Artikel ist zuerst erschienen auf unserem Partnerportal www.elektronikpraxis.de.

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