Startseite / Redaktion / Suche / Kontakt / Impressum
 

Forschung in der Neuroprothetik

Den Rollstuhl mit den Ohren steuern

Der Muskel ist ein vielseitiges Organ. Er liefert die nötige Energie, die unser Körper braucht, um sich fortzubewegen. Nun haben Forscher aus Göttingen, Karlsruhe und Heidelberg herausgefunden, wie man diese Energie zur Steuerung eines Rollstuhls nutzen kann. Somit gewinnt die Fähigkeit mit den Ohren wackeln zu können, eine ganz neue Bedeutung.//Von Esra Tatlises

10.12.2015// Ohne jegliche Handbewegung manövriert Professor David Liebetanz den Rollstuhl durch die Gänge des Universitätsklinikums in Göttingen. Der Oberarzt für Neuroprothetik nutzt die Kraft seiner Ohrmuskulatur, um das Gefährt zu steuern. Telmyos heißt die innovative Technik und steht für telemetrisches, myoelektrisches Ohrmuskelableit-System. Vor allem für Querschnittsgelähmte, die ab dem Hals abwärts gelähmt sind, stellt diese Technologie eine Chance zur eigenständigen Fortbewegung dar, aber auch Armprothesen könnten damit genutzt werden.

Wissenschaftler aus Göttingen, Heidelberg und Karlsruhe führen Telmyos vor, 01.11.2013,Quelle: Universität Göttingen

Benachbarte Hirnareale eröffnen Möglichkeiten

Durch die Idee von David Liebetanz, medizintechnische Hilfsmittel per Ohrmuskulatur zu steuern, stellten die Forscher des Universitätsklinikums in Göttingen Untersuchungen über die neuronalen Verbindungen des Ohrmuskels an. Dabei entdeckten sie, dass ein Hirnareal für die Steuerung der Ohrmuskulatur vorhanden ist und dieses unmittelbar neben dem Hirnareal zur Steuerung der Hand- und Armmuskulatur liegt. Leonie Schmalfuß, Doktorandin und Mitarbeiterin im Universitätsklinikum Göttingen, erklärt dazu:"Wir waren überrascht, dass solch ein Bereich im Gehirn überhaupt existiert. Die Veranlagungen dieses Hirnareals weisen auf eine willentliche Benutzung der Ohrmuskeln hin." Dadurch, dass diese Hirnareale benachbart sind und auch Informationen durch dieselben Nervenbahnen austauschen, erhoffen sich die Forscher aus Göttingen eine alternative Koordination mittels der Ohrmuskulatur für defekte Hand- und Armmuskeln. Die Ohrmuskulatur wird im alltäglichen Gebrauch nicht genutzt. Somit muss während einer Rollstuhlfahrt die unwillkürliche Aktivierung des Ohrmuskels nicht befürchtet werden. Würde das Ohrableitsystem beispielsweise auf der Basis der Kiefermuskulatur funktionieren, würde die Steuerung eines Rollstuhls während des Sprechens oder Essens nicht umgesetzt werden können oder stark eingeschränkt werden.

Signalübertragung vom Ohr bis zum Rollstuhl

Telmyos besteht momentan aus zwei EMG- Nadelelektroden, einer konstruierten Brille, einem Ohrclip und einem Rechner mit einer speziellen Software. Die Nadeln mit dem Durchmesser eines Haares, werden hinter dem Ohr unter die Haut gesetzt und dienen zur Erfassung von elektrischen Signalen, die bei der Anspannung der Ohrmuskeln entstehen. Ein Ohrclip, das am Ohrläppchen befestigt wird, dient zur Erdung der elektrischen Signale. Die kleine schwarze Box am Brillengestell verstärkt und leitet diese Signale weiter an ein schwarzes Kästchen hinter dem Kopf. Dieses fungiert als Sender und überträgt die Informationen per Funk an einen Computer (Mikrocontroller). Im Mikrocontroller werden diese Signale entsprechend verarbeitet und als Steuersignal an den Rollstuhl übermittelt.

Graphische Darstellung der Signalübertragung, Quelle: Universitätsklinikum Göttingen

Foto: Graphische Darstellung der Signalübertragung, Quelle: Universitätsklinikum Göttingen

Die Lenkung läuft nach folgendem Muster ab: Werden die rechten Ohrmuskeln aktiviert, fährt der Rollstuhl nach rechts, bei der Aktivierung des linken Ohrmuskels, nach links. Die gleiche Anspannung beider Seiten ermöglicht das Fahren geradeaus. Die Steuerung bei Telmyos erfolgt proportional. Je stärker die Muskelkontraktionen sind, desto schneller bewegt sich der Rollstuhl.

Training und Kalibrierung des Ohrableitsystems

Vor der Benutzung des Rollstuhls muss die gezielte Aktivierung der Muskulatur antrainiert werden. Dabei spielt es keine Rolle, ob ein Patient mit den Ohren wackeln kann oder nicht, das kann sich jeder Mensch mit der Zeit aneignen. Das Karlsruher Institut für Technologie entwickelte für das Training eine spezielle Software, mit der die Probanden durch Computerspiele ihre Ohrmuskeln ausbilden können. Markus Reischl, Datenanalytiker im KIT und Projektleiter von Telmyos, erklärt dazu: "Das erstmalige Training an der Software kann für ungeübte Anwender zehn bis 30 Minuten dauern. Danach helfen kleine PC-Spiele, wie Tetris und Virtual Reality Programme den Anwendern, ihre Ohrmuskeln präziser einzusetzen. Dabei zeigt die Software an, wie stark die Aktivierung der jeweiligen Muskelareale ist." Auch hier werden die Nadelelektroden und der Ohrclip angebracht und mit dem Computer verbunden. Die Anwendung zeichnet die individuellen Trainingsdaten auf, die für die Kalibrierung der Software notwendig sind. Bei der Gerätesteuerung wird die Intention der Bewegung des Muskels durch elektrische Signale weitergegeben. Im Mikrocontroller werden diese Signale dann so verarbeitet, dass die ursprüngliche Intention geschätzt werden kann. "Die Kalibrierung dient zur korrekten Intentionsschätzung und kann bei Bedarf mit geringem Zeitaufwand vor der Rollstuhlfahrt manuell durchgeführt werden", schildert Markus Reischl. In einer Pilotstudie konnten alle Probanden nach circa einer Woche ihre Ohrmuskeln gezielt einsetzen und den Rollstuhl steuern. Interessanterweise verkürzte sich die Dauer des Erlernens nicht bei denjenigen, die bereits mit ihren Ohren wackeln konnten. Das einzige, was besser funktionierte, war die Lenkung in den Kurven.

Tempomat als Lösung gegen Ermüdung bei der Steuerung

Bei der Anwendung der Technik wird die Ohrmuskulatur nicht überanstrengt. Dennoch besteht das Problem einer physischen und psychischen Ermüdung bei langfristiger Benutzung des Rollstuhls. Rüdiger Rupp, Ingenieur in der Abteilung Neurorehabilitation im Universitätsklinikum Heidelberg, erklärt, welche Maßnahmen gegen diese Komplikationen getroffen wurden: "Eine Art Tempomat wurde in die elektrischen Rollstühle implementiert, der eine konstante Geschwindigkeit hält, ohne dass die gesamte Zeit das Gaspedal in Form der Ohrmuskulatur aktiviert werden muss. Auch der Geradeauslauf kann mittlerweile autark vom Rollstuhl umgesetzt werden."

Grenzen des Ohrmuskelableitungssystems

Grundsätzlich kann diese Technik von jedem Menschen genutzt werden. Die einzige Voraussetzung zur Nutzung des Ohrableitsystems ist eine intakte Gesichtsmuskulatur. Menschen mit neurodegenerativen Krankheiten, wie zum Beispiel einer amyotrophen Lateralsklerose, können diese Technologie nicht nutzen, aufgrund von Störungen in der Nervenversorgung zur Ohrmuskulatur. Da dieses Problem auch nicht in Zukunft von den Forschern gelöst werden kann, ist es für diese Patienten hilfreicher auf alternative Steuerungstechniken zuzugreifen, wie Saug-, Blas- oder Kinnsteuerungen.

Aktueller Forschungsstand

Bisher liegen den Forschern keine Ergebnisse für eine Langzeitanwendung über mehrere Stunden am Tag vor. Auch die Kalibrierung der Software, die vor jeder Nutzung installiert werden muss, stellt ein Hindernis zur Alltagstauglichkeit der Technologie dar. Um dem entgegen zu wirken, ist die Umsetzung eines Implantats geplant, doch auch dieses Ziel wird noch einige Jahre in Anspruch nehmen. Die Vermarktung von Telmyos könnte nach Angaben der Forscher noch schätzungsweise ein bis zwei Jahre dauern. Noch fehlen geeignete Industriepartner, da der Markt in diesem Bereich noch sehr klein ist. Auf die Frage nach dem möglichen Preis für Telmyos, antwortet Rupp: "Das hängt ganz entscheidend von den Verkaufszahlen ab. Wenn das System nur bei schwergelähmten Patienten zur Rollstuhlsteuerung zum Einsatz kommt, dann wird die Verkaufszahl klein und der Preis hoch sein. Ich gehe von über 5000 Euro aus."

Esra Tatlises, 5. Semester, Technikjournalismus

Kommentieren und bewerten 

Mit folgendem Formular können Sie den Artikel kommentieren und bewerten. Mit einem * gekennzeichnete Felder müssen ausgefüllt werden.

Ihr Name*
Ihre E-Mail-Adresse*
Bewertung des Artikels*
(1 Stern = schlecht / 6 Sterne = hervorragend)
Sicherheitsabfrage*: Bitte addieren Sie 9 und 6
Ihr Kommentar*

Interessante Fakten & Links

Projektleitungen:

° Dr. David Liebetanz, Oberarzt für Neuroprothetik im Universitätsklinikum Göttingen

° Dr. Markus Reischl, Datenanalytiker im Karlsruher Institut für Technologie

° Dr.-Ing. Rüdiger Rupp, Ingenieur in der Abteilung für Neurorehabilitation im Universitätsklinikum Heidelberg

Förderungen:

Telmyos ist ein Verbundprojekt der Universitätskliniken Göttingen und Heidelberg und dem Karlsruher Institut für Technologie und wird vom Bundesministerium für Bildun und Forschung von Januar 2012 bis Dezember 2015 mit 810.000 € gefördert. 

Internationale Bewertungen:

Das Projekt hat mittlerweile den Proof of Content Status bekommen und erhält international weitgehend positive Resonanzen. Im europäischen Raum existieren diverse Presseberichte und auch überkontinental ist die Ohrableitungstechnik ein Thema auf einigen Kongressen. 

Weiterführende Links:

° http://www.bvmed.de/de/technologien/trends/medtech-zukunft

° http://www.neurologie.uni-goettingen.de/index.php/neuroprothetik-forschung.html

° http://research-in-germany.org/en/research-landscape/news/news-archive/2011/05/2011-05-16-david-liebetanz-coordinates-joint-project-telmyos.html