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Ein Rechner geht zur Hand

30.08.1999 - (idw) Eberhard-Karls-Universität Tübingen

Informatik

Wenn durch eine Querschnittslähmung auch die Hände ihre Funktion verloren haben, sind die Menschen selbst bei einfachen Tätigkeiten auf fremde Hilfe angewiesen. Durch die Forschung im europäischen GRIP-Projekt sollen diese Hände wieder greifen lernen, indem die gestörte Signalleitung zwischen Gehirn und Händen künstlich hergestellt wird. An der Verbindung zwischen Nerven und Elektronik arbeitet der Tübinger Informatiker Dr. Martin Bogdan.

Ein Rechner geht zur Hand

Tübinger Informatiker will Nervenkontakt zu bewegungslosen Händen wiederherstellen

Wieder neu greifen lernen und sich wenigstens beim Essen und Trinken wieder allein versorgen zu können - für diesen Wunsch vieler Querschnittsgelähmter wird in der Tübinger Informatik beim europäischen GRIP-Projekt ein neuer Weg beschritten. Das Grundprinzip: Ein Computer soll die Brücke zwischen dem Gehirn und der davon nervlich abgetrennten Hand bilden und im Idealfall Signale in beide Richtungen senden. Der Patient könnte so willentlich wieder zugreifen und bekäme auch wieder zu spüren, was seine Hand berührt.

"Wir wollen die Funktion der Hand über die Nerven wiederherstellen", definiert Dr. Martin Bogdan, tätig am Lehrstuhl für Technische Informatik von Prof. Wolfgang Rosenstiel, das Ziel des Projekts. Die notwendigen Mikrokontakte für die Verbindung der Nervenbahnen mit der Elektronik stammen aus dem bereits abgeschlossenen INTER-Projekt. Dort war es Bogdan gelungen, mit Bauelementen, die vom Fraunhofer-Institut in St. Ingbert entwickelt wurden, bei Tieren aus den unzähligen Impulsen in den Nervenbahnen die gesuchten herauszufiltern und zu entschlüsseln. Mit den Daten konnte eine neu entwickelte künstliche Hand-Prothese gesteuert werden, die vor zwei Jahren auf der CEBIT präsentiert wurde. Nun sollen die Sensoren weiterentwickelt und bei einer noch vorhandenen, aber gelähmten Hand angewandt werden: Ein kleiner Chip mit Kontakt zu den Nervenbahnen wird in der Hand implantiert und von einem Sender auf der Haut gesteuert. Die Befehle zum Zugreifen muß nach dem gegenwärtigen Stand der Technik der Patient noch mit kleinen Bewegungen nicht gelähmter Körperteile auslösen, die vom Rechner entsprechend übersetzt werden. Bald jedoch soll das mit Willenskraft möglich werden: "Als Prototyp soll eine Hand, die greifen kann, bis 2001 Wirklichkeit sein", so Martin Bogdan.

In die umgekehrte Richtung fließen Daten aus einem Sensor-Handschuh an der gelähmten Hand: Der meldet dem Rechner die Haltung der Hand, ihre Position im Raum und liefert die Daten für das Herzstück des Projekts, das künstliche neuronale Netz. Ein Rechner verarbeitet dabei Informationen ähnlich wie im menschlichen Gehirn, sogar dessen Lernprozesse werden nachgeahmt - das Netz erkennt die Differenz zwischen der vorher eingegebenen gewünschten Bewegung der Hand und dem vom Datenhandschuh gemeldeten Ergebnis. Binnen Sekunden bis Minuten gleicht der Rechner die Differenz selbständig aus und setzt fortan das Gelernte um. Die Programmierleistung ist dabei hochkomplex, der Computer selbst nicht: "Ein handelsüblicher Laptop, den wir bequem am Rollstuhl unterbringen, reicht völlig", sagt Bogdan. Der Handschuh bringt noch eine weitere Neuerung: Er ist mit Fühlern für Druck und Wärme ausgestattet. Der Rechner soll beispielsweise dafür sorgen, daß die Hand zu heiße Gegenstände sofort losläßt. Zugleich meldet er das Ertastete über Vibrationen an Hautpartien weiter, an denen der Patient noch etwas fühlt. Der Patient bekäme so zumindest indirekt wieder ein Gefühl für seine Hand.

Eine erste Trainingseinheit für das neue Steuerungsprinzip gibt es während dieses Sommers in Dänemark: Ein junger Querschnittsgelähmter, dem vor einiger Zeit Elektroden für die direkte elektrische Stimulation seiner Handmuskeln eingepflanzt wurden, wird dort den Handschuh testen und den Rechner mit den notwendigen Daten füttern. Danach sollen die ersten wirklich "griffigen" Praxistests für das neue System folgen. (3395 Zeichen)

Neue Verbindung zu gelähmten Händen

In der Tübinger Informatik soll ein Rechner das Greifen wieder möglich machen

Querschnittsgelähmte sollen wieder Kontrolle über ihre bewegungslose Hand bekommen, so daß sie wieder greifen und wenigstens für elementare Bedürfnisse wie Essen oder Trinken ohne fremde Hilfe sorgen können: Für dieses Ziel arbeiten Tübinger Informatiker gemeinsam mit Wissenschaftlern aus Deutschland, Italien, Spanien, Frankreich und Dänemark, und sie gehen dabei neue Wege. Bislang war es schon verschiedentlich Wissenschaftlern gelungen, die Muskeln der Hand künstlich elektrisch zu stimulieren, so daß die Patienten zumindest wieder zugreifen konnten. Die elektrischen Impulse können die Patienten dabei selbst steuern, indem sie nicht gelähmte Körperteile, wie beispielsweise ihre Schultern, in bestimmter Weise leicht bewegen und so das Zugreifen auslösen. Das Ziel des mit EU-Mitteln geförderten GRIP-Projektes ist höher gesteckt: Der Patient soll wieder kraft seines Willens zufassen können, und er soll wieder spüren, was seine Hand berührt.

"Wir wollen die Funktion der Hand über die Nerven wiederherstellen", so faßt Dr. Martin Bogdan, der am Lehrstuhl für Technische Informatik von Prof. Wolfgang Rosenstiel an dem Projekt arbeitet, das Prinzip zusammen: Mit Hilfe eines Computers werden über die Nervenbahnen auf dieselbe Art "Befehle" an die verschiedenen Muskelgruppen weitergeben, wie dies vor der Lähmung vom Gehirn oder Rückenmark aus geschehen ist, anstatt wie bisher direkt die Muskeln mit elektrischem Strom über Elektroden zum Zusammenziehen zu bringen. Dabei wird ein kleiner Chip mit Kontakt zu den Nervenbahnen im Arm implantiert, der von einem Sender auf der Haut angesteuert wird. Dies ermöglicht es, mit wesentlich geringeren Stromstärken zu arbeiten und soll Ermüdungen und Krämpfe vermeiden, die mit der bisherigen Verfahrensweise auftreten können.

Mit dem neuen Verfahren steigen aber auch die Ansprüche an die Informatiker erheblich: Aus der riesigen Zahl elektrischer Impulse in den Nervenbahnen müssen diejenigen Signalmuster herausgefiltert werden, die für die Steuerung der Muskeln verantwortlich sind und dann möglichst genau nachgeahmt werden. Hier kann Bogdan auf den Ertrag des bereits abgeschlossenen, ebenfalls EU-geförderten INTER-Projekts zurückgreifen, bei dem eine Verbindung zwischen Nerv und Chip geschaffen wurde, eine Schnittstelle zwischen peripherem Nervensystem des menschlichen Organismus und elektronischer Signalverarbeitung. Im Rahmen des INTER-Projektes war es gelungen, bei Tieren die Signale in den Nervenbahnen mit einer neu entwickelten Elektrode abzuleiten und soweit zu entschlüsseln, daß die Tübinger Wissenschaftler mit den gewonnenen Daten eine Hand-Prothese steuern konnten. Der Prototyp der Prothese war 1996 und 1997 auf Hannover-Messe und CEBIT der Öffentlichkeit vorgestellt worden. Für die zweite Phase des Projekts, die klinische Erprobung der Prothese am Patienten selbst, wird nun ein Kooperationspartner in der Industrie gesucht, der neben eigenem Know-how in der Prothetik auch das notwendige Kapital für die Studien bereitstellt. "Patienten, die die neue Prothese erproben wollen, haben wir mehr als genug", meint Bogdan, "es scheitert daran, daß die einschlägigen deutschen Hersteller erst einsteigen wollen, wenn die Prothese bereits serienreif ist." So wird nach gegenwärtigem Stand die Prothese voraussichtlich mit Geldern aus den USA zur Serienreife weiterentwickelt und produziert werden.

Die im INTER-Projekt gewonnen Erkenntnisse über die Signalmuster in den Nervenbahnen sollen nun für die Stimulation einer vorhandenen, aber gelähmten Hand angewandt werden. Neu ist im Rahmen des GRIP-Projektes auch, daß erstmals ein "Feedback" der nunmehr beweglichen, aber noch immer gefühllosen Hand erzeugt werden soll. Ein Handschuh wird mit Sensoren für Druck und Wärme ausgestattet, über die gelähmte Hand gezogen und mit einem Rechner verbunden. So soll vermieden werden, daß sich der Patient, ohne es zu merken, Verbrennungen an einem heißen Topf zuzieht oder ein dünnes Glas einfach zerdrückt. Ziel ist es, die natürlichen Schutzreaktionen automatisch in die Steuerung zu integrieren, so daß beispielsweise die Hand reflexartig von zu heißen Gegenständen weggezogen wird. Außerdem soll der Patient indirekt wieder etwas von seiner Hand spüren: Die von den Sensoren ermittelten Werte werden vom Rechner verarbeitet und als Vibrationen auf Hautpartien weitergeleitet, an denen der Gelähmte noch Gefühl hat.

Wichtiger noch ist der Sensor-Handschuh aber für die Steuerung der Hand, er meldet dem Rechner die aktuelle Haltung der Hand und ihre dreidimensionale Position im Raum. Dadurch wird eine sehr genaue Erfolgskontrolle möglich: Hat die Hand die gewünschte Bewegung ausgeführt, wie groß ist die Abweichung? Dies schafft die Voraussetzung für eine weitere, entscheidende Neuerung des Projekts. "Nicht der Mensch soll sich der Maschine anpassen, sondern die Maschine dem Menschen", faßt Bogdan das Grundprinzip zusammen. Kernstück ist ein künstliches neuronales Netz, dessen Funktionsweise dem menschlichen Gehirn nachgebildet wurde und das in der Lage ist zu "lernen", das heißt selbständig Fehler zu korrigieren und nach kurzer Trainingszeit auf bestimmte Reize die gewünschten Reaktionen auszulösen. Die "Lernfähigkeit" dieser künstlichen neuronalen Netze wird dabei in zweierlei Hinsicht in Anspruch genommen: Zum einen ist es seit dem INTER-Projekt in der Lage, die richtigen Signale aus der Vielzahl elektrischer Impulse in den Nervenbahnen herauszufiltern, um die notwendigen Muskelpartien zur Aktion anzuregen. Zum anderen paßt nun der nach dem Prinzip der Neuronalen Netze programmierte Rechner eigenständig die Bewegung der Hand auf die vorher festgelegten "Befehle" durch den Patienten an.

Binnen weniger Sekunden bis Minuten ist das Netz in der Lage, mit Hilfe der Positionsbestimmung durch den Sensor-Handschuh den "Befehl" des Patienten und die gewünschte Bewegung der Hand zur Deckung zu bringen. Hat das System dies einmal gelernt, funktioniert die Steuerung künftig in Echtzeit. Ziel ist es, Mensch und Maschine so weit miteinander zu verknüpfen, daß die Willenskraft des Patienten ausreicht, um die Hand zu steuern und es keiner besonderen Bewegung eines nicht gelähmten Körperteils bedarf. "Mitte 2001 soll die Herstellung der Greiffunktion als Prototyp Wirklichkeit sein", so Bogdan.

An die Hardware stellt das Projekt dabei keine besonderen Ansprüche: "Für die Steuerung der Hand wie auch für die Rückmeldung der Sensoren genügt ein handelsüblicher Laptop, der bequem am Rollstuhl des Patienten untergebracht werden kann", so Bogdan, "in der Serienfertigung werden noch wesentlich kleinere Geräte ausreichen." Mit den notwendigen Daten für die Erprobung des neuronalen Netzes wird der Rechner in diesem Sommer in Dänemark gefüttert: Ein junger Querschnittsgelähmter, dem vor einiger Zeit Implantate für eine direkte Stimulation der Handmuskeln nach bisherigem Muster eingesetzt wurden, hat sich dort für eine Testphase zur Verfügung gestellt. Wenn alles so verläuft wie erwartet, werden den darauf folgenden Simulationen noch binnen Jahresfrist die ersten wirklich "zupackenden" Praxistests folgen.

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Nähere Informationen (vom 30. August bis 2. September und ab 14. September):

Dr. Martin Bogdan
Wilhelm-Schickard-Institut für Informatik
Auf dem Sand 13
72076 Tübingen
Tel. 0 70 71/2 97 40 15
Fax 0 70 71/29 50 62
e-mail.: bogdan@informatik.uni-tuebingen.de

http://www.grip-europe.org

Der Pressedienst im Internet: http://www.uni-tuebingen.de/uni/qvo/pd/pd.html
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