"Wenn ich den Stumpf berühre, spüre ich ein Kribbeln in meiner fehlenden Hand, meiner Geisterhand. Aber eine Temperaturänderung zu spüren, das ist etwas anderes, etwas Wichtiges ... etwas Wunderbares", bezeugt Francesca Rossi.
Francesca Rossi ist eine amputierte Person aus Bologna, Italien. Sie hat kürzlich an einer Studie teilgenommen, in der die Auswirkungen einer sensorischen Wärmerückmeldung direkt auf der Haut ihres Restarms getestet wurden. Sie war eine von 17 Personen, die dank einer neuen Technologie der EPFL eine Temperaturänderung in ihrer Phantomhand spürten. Vor allem aber berichtet sie, dass sie sich wieder mit ihrem fehlenden Glied verbunden fühlt.
"Die thermische sensorische Rückkopplung ist ein angenehmes Gefühl, weil du dein Phantomglied vollständig spürst. Du fühlst es nicht mehr als Phantom, sondern es ist wieder da", fährt sie fort.
Die Forscher Silvestro Micera und Solaiman Shokur wollen neue sensorische Rückmeldungen in Prothesen einbauen, um Menschen mit Amputationen einen realistischeren Tastsinn zu vermitteln. Ihre neueste Studie befasst sich mit der Temperatur. Ihre Entdeckung über sensorisches Temperaturfeedback übertraf ihre Erwartungen.
Wenn Sie etwas Warmes oder Kaltes auf den Unterarm einer nicht amputierten Person legen, wird diese die Wirkung lokal, direkt am Ort der Anwendung, spüren. Bei Menschen mit Amputationen kann das Temperaturempfinden auf dem Restarm jedoch ... in der Geisterhand erfahren werden.
Das thermische sensorische Feedback wird auf nicht-invasive Weise mithilfe von Thermoelektroden (oder "Thermodes") gegeben, die an der Haut des verbliebenen Arms angebracht werden. So berichten Amputierte wie Francesca Rossi, dass sie die Temperatur in ihrem Phantomglied spüren. Sie können die Wärme oder Kälte eines Objekts spüren und berichten, ob sie Kupfer, Plastik oder Glas berühren. Diese Technologie ist das Ergebnis einer Zusammenarbeit zwischen der EPFL, der Scuola Superiore Sant’Anna und dem Centro Protesi Inail und wurde erfolgreich an 17 Patienten von insgesamt 27 Personen getestet. Die Ergebnisse wurden in Science veröffentlicht.
"Besonders wichtig ist, dass die Patienten die Phantomwärmeempfindungen auf die gleiche Weise wahrnehmen wie mit ihrer intakten Hand", erklärt Solaiman Shokur, Lehr- und Forschungsbeauftragter an der EPFL und Co-Leiter der Studie.
Auf dem Weg zu einem realistischen bionischen Tastsinn Diese Projektion von Wärmeempfindungen in die Phantomgliedmaße hat den Weg für die Entwicklung einer neuen bionischen Technologie geebnet. Sie stattet Prothesen mit einer nicht-invasiven thermischen sensorischen Rückmeldung aus, die es Menschen mit Amputationen ermöglicht, die Gegenstände, die sie berühren, zu unterscheiden.
"Das thermische sensorische Feedback ist entscheidend für die Vermittlung von Informationen, die über den Tastsinn hinausgehen. Es öffnet den Weg für ein Gefühl der Zuneigung. Wir sind soziale Wesen, für die Wärme eine wichtige Rolle spielt", erklärt Silvestro Micera, Bertarelli-Lehrstuhlinhaber für translationales Neuroengineering, Professor an der EPFL und der Scuola Sant’Anna und Co-Leiter der Studie. "Zum ersten Mal, nach vielen Jahren der Forschung in meinem Labor, in denen wir gezeigt haben, dass man Berührungs- und Positionsinformationen liefern kann, können wir in Betracht ziehen, die Gesamtheit der feinen Empfindungen, die von einer Hand ausgehen können, wiederherzustellen."
Thermisches sensorisches Feedback vom Wohlbefinden zu Prothesen Vor einigen Jahren hörten Silvestro Micera und Solaiman Shokur von einem System, das thermisches sensorisches Feedback durch die Haut von gesunden Probanden lieferte. Dieses System wurde ebenfalls an der EPFL entwickelt und von der Spinoff-Firma Metaphysiks weiterentwickelt.
"Diese Innovation zeigt die Macht der haptischen Technologie, um bestimmte medizinische Zustände oder das Leben von Menschen mit Behinderungen zu verbessern", sagt Simon Gallo, Mitbegründer und Chief Technology Officer von Metaphysiks.
Das Neuroengineering-Team der EPFL lieh sich MetaTouch, das ein sensorisches thermisches Feedback direkt auf die Haut des Benutzers liefert. Mit diesem Gerät entdeckten die Wissenschaftler die Phantomwärmeempfindungen, die sie dann an 27 amputierten Personen testeten.
Der MiniTouch-Prototyp und seine Tests
Für diese Studie entwickelten Solaiman Shokur und Silvestro Micera den MiniTouch: ein thermisches sensorisches Feedbacksystem, das speziell für den Einbau in tragbare Geräte wie Prothesen konzipiert wurde. MiniTouch besteht aus einem dünnen, tragbaren Sensor, der am Finger einer Handprothese angebracht werden kann. Er erfasst die sensorischen Informationen des berührten Objekts - genauer gesagt, die Wärmeleitfähigkeit des Objekts. Wenn der Gegenstand aus Metall ist, leitet er mehr Wärme oder Kälte, als wenn er z. B. aus Kunststoff besteht. Eine Thermode, die mit der Haut der amputierten Person am Restarm in Berührung kommt, gibt das Temperaturprofil des vom Sensor berührten Objekts weiter, indem sie sich erwärmt oder abkühlt.
"Als wir über die Möglichkeit sprachen, wieder Wärmeempfindungen an der Phantomgliedmaße zu erlangen oder die Berührung verschiedener Materialien zu spüren, erhielten wir viele positive Rückmeldungen. Schließlich konnten wir in weniger als zwei Jahren mehr als 25 Freiwillige rekrutieren", erklärt Frederico Morosato, der am Centro Protesi Inail für die Organisation der klinischen Aspekte der Studie verantwortlich ist.
Die Wissenschaftler fanden heraus, dass kleine Hautflächen auf dem Restarm Empfindungen zu bestimmten Teilen der Phantomhand projizieren, wie etwa zum Daumen oder zur Spitze des Zeigefingers. Wie sie erwartet hatten, ist die Zuordnung der thermischen Empfindungen vom Restarm zur gesamten Phantomhand für jeden Patienten spezifisch.
Bionische Prothesen zur Reparatur des menschlichen Körpers Vor fast zehn Jahren integrierten Silvestro Micera und seine Kollegen sensorisches Echtzeit-Feedback von ergriffenen Objekten. Die Wissenschaftler verbesserten die Auflösung des Tastsinns weiter, indem sie zuverlässig Rückmeldung über die Beschaffenheit des Objekts oder Positionsinformationen lieferten. Mehr noch: Sie fanden heraus, dass Menschen mit Amputationen beginnen, ihre prothetische Hand zu verkörpern, wenn sie sensorisches Feedback direkt auf ihr intaktes Nervensystem erhalten. Indem sie das Wärmeempfinden hinzufügten, kamen sie der Entwicklung bionischer Prothesen zur Reparatur des menschlichen Körpers einen weiteren Schritt näher. Der nächste Schritt wird die Feinabstimmung der thermischen Empfindungen und ihre Integration in ein Gerät betreffen, das an jeden einzelnen Patienten angepasst werden kann.
Referenzen
http://www.science.org/doi/10.1126/science.adf6121
