Magnetische Perlen-Implantate ermöglichen robotischen Prothesen Echtzeit-Muskelverfolgung
Forscher am MIT verfolgten Muskelbewegungen bei drei Amputierten mit drahtlosen Magnetsensoren, um die Steuerung von Neuroprothesen zu verbessern.
Von Letizia Giugliano
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Drei amputierte Menschen haben erfolgreich ein implantierbares magnetisches Trackingsystem getestet, das Muskelbewegungen in Echtzeit misst. Die Studie des Massachusetts Institute of Technology, veröffentlicht in der Fachzeitschrift Nature Sensors, bietet eine neue physische Schnittstelle für Robotik-Steuerungen, die fortschrittliche Prothesen steuern.
Vier Jahrzehnte Haut-Elektroden hinter sich lassen
Vierzig Jahre lang stützten sich neuroprothetische Steuerungssysteme auf Elektromyographie, eine Technik, bei der Oberflächenelektroden auf der Haut elektrische Signale im Muskelgewebe erfassen. Dieser Ansatz hat mechanische Grenzen: Elektrische Daten vermitteln nicht direkt Position, Drehmoment oder Widerstand. Haut-Elektroden leiden zudem unter Signalabweichungen, wenn ein Muskel angespannt bleibt, nehmen Übersprechen von benachbarten Muskeln auf und verlieren den Kontakt, wenn sich Schweiß bildet.
Um diese Probleme zu überwinden, wandte sich ein Team unter der Leitung des Senior-Autors und Erfinders Hugh Herr, Professor für Medienkunst und -wissenschaften und Co-Direktor des K. Lisa Yang Center for Bionics am MIT, einer mechanischen Trackingmethode namens Magnetomyometrie zu, wie MedicalXpress berichtet. Die Technik umgeht elektrische Hilfsgrößen, indem sie die physische Länge und Geschwindigkeit von Muskelfasern direkt misst, und markiert damit eine bemerkenswerte Innovation in der bionischen Prothetik.
„Diese Schnittstelle ist minimalinvasiv, sodass sie für mehr Menschen zugänglich sein könnte. Man platziert zwei Perlen im Muskel und hat Zugang zu all diesen reichhaltigen Informationen über die Muskeldynamik.“
— Christopher Shallal, MIT
Zwei magnetische Perlen zur Verfolgung der Muskeldynamik
Die Erfindung funktioniert, indem Paare winziger magnetischer Perlen im Zielmuskelgewebe platziert werden. Wenn sich der umgebende Muskel zusammenzieht oder dehnt, verfolgen externe Sensoren auf der Hautoberfläche Änderungen des Magnetfelds, um den genauen Abstand zwischen den beiden Perlen zu berechnen.
Der Co-Erstautor Christopher Shallal, Doktorand im Harvard-MIT-Programm für Gesundheitswissenschaften und Technologie, beschrieb den Ansatz als minimalinvasive Alternative zu früheren Methoden. Da Magnetfelder biologisches Gewebe ohne Kabel durchdringen, liest der Sensor die Muskelmechanik direkt durch die Haut. Der Co-Erstautor Cameron Taylor, Assistenzprofessor für Biomedizintechnik an der University of North Carolina at Chapel Hill, hatte die Technik laut MedicalXpress bereits 2021 in Tiermodellen verifiziert, bevor sie in klinische Studien am Menschen überging.
Cursor-Tests bei Patienten mit bionischer Gliedmaßenchirurgie
Die klinische Studie bewertete das System bei drei Teilnehmern mit Unterschenkelamputationen, die sich zuvor einem agonistisch-antagonistischen myoneuralen Interface-Verfahren, bekannt als AMI, unterzogen hatten. Bei dieser Operation werden gegensätzliche Muskelpaare chirurgisch wieder verbunden, sodass sich der Partner dynamisch dehnt, wenn sich ein Muskel zusammenzieht.
Während der von MedicalXpress berichteten Studienversuche trugen die Teilnehmer keine physische Prototypen-Prothese. Stattdessen bewegten sie ihre verbliebenen Muskeln, um einen Cursor auf dem Bildschirm zu Zielen zu führen. Das drahtlose Tracking ermöglichte es dem System, kontinuierliche Muskeldynamik zu erfassen und lieferte die Art mechanischer Ausgabedaten, die Robotik-Steuerungen für einen natürlicheren Gang benötigen.
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