Gedankenkraft steuert über ein bidirektionales Interface bionische Handprothese

Im Rahmen eines von der Europäischen Union geförderten Projekts sollte eine bionische Handprothese aufgebaut und mit Hilfe von Signalen der peripheren Nerven gesteuert werden. Die ausgezeichnete Projektgruppe »Neurobotics« des Fraunhofer-Instituts für Biomedizinische Technik (IBMT) mit Sitz im saarländischen St. Ingbert unter der Leitung von Professor Klaus-Peter Hoffmann hatte die Aufgabe, hierfür ein geeignetes Interface zu entwickeln und zu fertigen.

Wesentliche Voraussetzung hierfür war das am Fraunhofer IBMT seit Jahren akkumulierte technologische und medizinische Know-how, derartige Zweiweg-Schnittstellen zwischen dem technischen System der bionischen Handprothese und dem biologischen System, dem peripheren Nervensystem, herzustellen und zu charakterisieren. Bidirektional bedeutet, nicht nur die Handprothese durch Erfassung von Biosignalen mit Gedankenkraft zu bewegen, sondern mittels Stimulation der Nerven den Tastsinn über die Prothese auch wiederherzustellen. Die von 2004 bis 2008 im Rahmen von EU-geförderten Forschungsprojekten erzielten innovativen Ergebnisse des »LifeHand«-Konsortiums wurden am 02.12.2009 in einer international stark beachteten Pressekonferenz am Universitäts-Campus Biomedica in Rom vorgestellt.

Die interdisziplinären Wissenschaftsteams aus Italien, Spanien und Deutschland, koordiniert durch die Scuola Superiore Sant´Anna in Pisa, arbeiteten seit 2003 auf den spektakulären Höhepunkt Endes des Jahres 2009 hin: Ein junger italienischer Jurist mit infolge eines Unfalls erlittener Handamputation war am 20.11.2009 weltweit erster Empfänger einer »Cyberhand« aus Aluminium, Stahl und Karbonfasern. Mittels 4 in den Armstumpf des amputierten linken Unterarms implantierter Elektrodenstrukturen, konnten vom peripheren Nervensystem 32-kanalig elektrische Impulse erfasst werden. Aus den daraus abgeleiteten Bewegungsmustern gelang es, einzelne Finger der künstlichen Hand zu steuern und die wichtigsten Griffe zu formen. Die Schnittstelle Mensch-Maschine war gelungen – der 26-jährige Patient, Pierpaolo Pietruziello, konnte über einen Zeitraum von 24 Tagen die Finger der bionischen Handprothese einzeln so steuern, dass definierte Grifffunktionen (wie Pinzettengriff, Schlüsselgriff und Koffergriff) möglich wurden. Über die elektrische Stimulation sensibler afferenter Fasern beider peripherer Nerven wurde ein bisher einmaliges sensorisches Feedback erreicht, bei dem der Patient die Finger seiner fehlenden Hand sogar spüren konnte.

Das Fraunhofer IBMT verfügt über eine langjährige Erfahrung auf dem Gebiet der implantierbaren Mikroelektroden aus Platin auf Polyimidträgern. Verschiedene Elektrodenformen zur Ankopplung an das Nervensystem wurden bereits entwickelt, hergestellt, charakterisiert und zum Einsatz im Menschen vorbereitet. Das Besondere an diesen Implantaten ist ihr extrem geringes Gewicht, ihre hohe Flexibilität und ihre Biokompatibilität. Die im ausgezeichneten Projekt eingesetzte Elektrodenstruktur wurde wie ein Faden längs durch den jeweiligen Nerv gezogen und zwischen den einzelnen Nervenfasern fixiert.

Der 11. SaarLB-Wissenschaftspreis wurde am Freitag, den 26. November 2010 in den Geschäftsräumen der SaarLB in Saarbrücken an die Projektgruppe »Neurobotics« verliehen. Diese wird von Herrn Prof. Dr. Klaus-Peter Hoffmann, Leiter der Abteilung Medizintechnik & Neuroprothetik am Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik (IBMT) und zugleich Gründungsprofessor für Biomedizinische Technik an der Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes (HTW) seit etwa 7 Jahren geleitet. Weitere Mitglieder der Projektgruppe am Fraunhofer IBMT waren Dipl.-Ing. (FH) Thomas Dörge (Elektrodendesign, Reinraumprozesse, Implantatfertigung), Harald Frank (Elektronik, Impedanzmessung, Stimulation), Markus Hanauer (Aufbau- und Verbindungstechnik, Kapselung, Implantatfertigung), Dr. Wigand Poppendieck (Charakterisierung, Elektrodenmaterialien) und Dipl.-Ing. (FH) Roman Ruff (Signalakquisition, Tiermodell, Signalanalyse, Management).

Hervorzuheben ist in diesem Zusammenhang die enge Kooperation des Fraunhofer IBMT mit der Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes (HTW). Diese ist in die trilaterale Initiative der Landesregierung, der Fraunhofer-Gesellschaft und der Hochschulen des Saarlandes zur Schaffung einer Biotechnologieplattform im Saarland eingebettet und stellt einen ergänzenden Beitrag zum Aufbau neuer Kompetenzen auf dem Gebiet der Biotechnologie im Saarland dar, die von der Landesregierung im Rahmen des Strukturwandels geschaffen werden. Hierzu gehört auch ein Bachelor- und Master-Studiengang Biomedizinische Technik, der in Kooperation zwischen der HTW, dem Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik (IBMT) und den Universitätskliniken des Saarlandes in Homburg durchgeführt wird. Gemeinsame wissenschaftliche Projekte zwischen Forscher der HTW und des IBMT runden diese Kooperation ab.

Von dieser bemerkenswerten wissenschaftlichen Leistung profitiert insbesondere der Wirtschafts- und Wissenschaftsstandort Saarland. Gerade die Neuroprothetik nimmt mit überdurchschnittlichen Zuwachsraten innerhalb des innovativen Medizintechnikmarkts eine herausragende Stellung ein. Die Ergebnisse fließen auch in die Bereiche der Materialwissenschaften, Mikrosystemtechnik sowie Aufbau- und Verbindungstechnik im Saarland ein.

Die SaarLB fördert als Sponsor Kunst, Kultur und Wissenschaft. Im Rahmen ihres Wissenschaftssponsorings wurde 1999 zusammen mit dem Ministerium für Bildung, Kultur und Wissenschaft des Saarlandes der mit 25 000 € dotierte SaarLB-Wissenschaftspreis zum ersten Mal ausgeschrieben. Gewürdigt wird eine wissenschaftliche Arbeit, die neue Erkenntnisse und Ergebnisse beinhaltet, deren Anwendung zu einer wirtschaftlichen Stärkung des Standortes Saarland beitragen kann. Die Beurteilung der eingereichten Arbeiten erfolgt durch eine unabhängige Jury. Es gehört zum Selbstverständnis der SaarLB, als Berater und finanzieller Begleiter der saarländischen Wirtschaft zu fungieren. Ziel ist es, einen Beitrag zur Weiterentwicklung der Region und zur Aufwertung des Standortes Saarland zu leisten. Ein wichtiger Faktor ist dabei die Förderung der wirtschaftsnahen Forschung. Die SaarLB ist überzeugt, mit der Verleihung des Wissenschaftspreises in der Öffentlichkeit die Zusammenhänge zwischen Innovation und Schaffung von Arbeitsplätzen aufzeigen zu können.

Ihr Ansprechpartner:
Prof. Dr. Klaus-Peter Hoffmann
Telefon: +49 (0) 6894 / 980-401
E-Mail: klaus.hoffmann@ibmt.fraunhofer.de

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