Wiederherstellung der Handfunktion Zwei Medizintechnik-Projekte forschen an intelligenter Neuroorthese

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Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

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Menschen mit eingeschränkter Handfunktion sollen bald von einer intelligenten Neuroorthese unterstützt werden. Gleich zwei Forschungsprojekte der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg widmen sich diesem Ziel. In den kommenden drei Jahren liegt der Schwerpunkt der Forschung auf der drahtlosen Messung von Muskelimpulsen und der KI-gestützten Umsetzung der Bewegungsabsicht.

Rund 50 Millionen Menschen weltweit leiden unter neuromotorischen Beeinträchtigungen der Hand aufgrund einer Rückenmarksverletzung oder eines Schlaganfalls. In gleich zwei neuen Projekten will Prof. Dr. Alessandro Del Vecchio, Leiter des Neuromuscular Physiology and Neural Interfacing Laboratory (N-squared Lab) an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) in Zusammenarbeit mit Dr. Matthias Ponfick, Chefarzt des Querschnittzentrums im Krankenhaus Rummelsberg, und Prof. Dr. Thomas M. Kinfe, Leiter der Funktionellen Neurochirurgie und Stereotaxie des Universitätsklinikums Erlangen, die Forschung an Neuroorthesen maßgeblich vorantreiben und Lösungen entwickeln.

„Die Medizintechnik hat in den vergangenen Jahren große Fortschritte gemacht – beispielsweise konnte gezeigt werden, dass Neuroorthesen die Hände gesunder Menschen bewegen können“, sagt Del Vecchio. „Allerdings gibt es noch Forschungs- und Entwicklungsbedarf hinsichtlich der Feinmotorik, etwa um einzelne Finger einer gelähmten Hand zu bewegen.“ Dominik Braun, wissenschaftliche Hilfskraft am N-squared Lab, erklärt: „Bei den meisten Geschädigten besteht nach wie vor eine neuronale Verbindung zwischen Hirn und Muskeln. Das bedeutet, die Muskeln reagieren auf Signale, sind jedoch nicht in der Lage, die Gliedmaßen zu bewegen.“

Neurobandage soll elektrische Aktivität der Haut messen

Genau hier setzt die Erlanger Forschungsgruppe an: Im Verbundvorhaben „NeurOne“ soll in Kooperation mit der Münchner Noxon GmbH eine flexible und tragbare Neurobandage entwickelt werden, die die elektrische Aktivität der Haut und damit selbst kleinste Muskelbewegungen misst.

Dabei kommt eine neue, innovative Drucktechnik zum Einsatz: Die Elektroden und Leiterbahnen können hauchdünn auf klassische Textilien aufgebracht und deshalb beispielsweise in ein T-Shirt integriert werden. Ergänzt wird die Sensorik durch ein so genanntes Brain-Computer-Interface, das die aufgenommenen neuronalen Signale KI-gestützt dekodiert und daraus die Bewegungsabsicht der Patienten ableitet.

Braun erklärt: „Mit Neurone schaffen wir die Schnittstelle zu mechanischen Systemen, die die Betroffenen bei ihren Bewegungen im Alltag unterstützen.“

Entwicklung einer Neuroorthese in weiterem Projekt

Wie solche mechanischen Unterstützungssysteme aussehen können, soll im Projekt „GraspAgain“ demonstriert werden. Gemeinsam mit dem Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik (FAPS) der FAU will das N-squared Lab eine Neuroorthese entwickeln, die die Handfunktion soweit wiederherstellt, dass die Betroffenen mehr als 90 Prozent der Alltagsaufgaben selbstständig erledigen können.

„Unser Ziel ist es, die Finger und den Daumen der Hand unabhängig voneinander und mit großer Kraft zu bewegen“, erklärt Dominik Braun. Erreicht werden soll das über Seilzüge, die an einer weichen, extrem leichten Fingerhülle befestigt sind. Steuerungselektronik, Aktoren und Stromversorgung sollen als kompakte Einheit in einen Rollator, Rollstuhl oder Rucksack integriert werden, damit die Patienten mobil bleiben.

„Die Neuroorthese wird mit unserem Brain-Machine-Interface kombiniert, das die Bewegungsabsicht der Betroffenen in vier Freiheitsgraden ermittelt“, sagt Del Vecchio. „Am Ende entsteht ein effektives Hilfsmittel mit hohem Tragekomfort, das den Betroffenen zu einer größeren Selbstständigkeit verhilft, die Lebensqualität deutlich erhöht und letztlich auch die Pflegekassen entlastet.“

Förderung durch den Freistaat Bayern

Beide Projekte starten am 1. Oktober 2023 und werden vom Bayerischen Staatsministerium für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie finanziert. Für Neurone konnten im Rahmen der Förderlinie „Lifescience – Medizintechnik“ 833.000 Euro eingeworben werden, Graspagain gewann den mit 500.000 Euro dotierten „Medical Valley Award“.

Die Juniorprofessur von Alessandro Del Vecchio wurde am Department Artificial Intelligence in Biomedical Engineering (AIBE) eingerichtet. Das AIBE ist Ende 2019 im Rahmen Hightech Agenda Bayern entstanden und arbeitet interdisziplinär und fachübergreifend an der Schnittstelle zwischen Medizin und Ingenieurwissenschaften.

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