Einführung
Die myoelektrische Steuerung hat sich in den letzten Jahren zu einem wichtigen Instrument in der Neurologie entwickelt, insbesondere bei der Rehabilitation von Patienten mit Amputationen oder Funktionsverlusten der oberen Extremitäten. Diese Technologie ermöglicht es, Prothesen und Orthesen durch die Erfassung und Umsetzung von Muskelsignalen zu steuern. Dieser Artikel beleuchtet die Grundlagen der myoelektrischen Steuerung, die verschiedenen Anwendungsbereiche und die neuesten Fortschritte in diesem Bereich.
Grundlagen der myoelektrischen Steuerung
Die myoelektrische Steuerung basiert auf der Erfassung von elektrischen Potenzialen, die bei der Kontraktion von Muskeln entstehen. Diese Potenziale werden mit Hilfe von Elektroden, die auf der Hautoberfläche oder implantiert sind, abgeleitet. Die abgeleiteten Signale werden verstärkt, gefiltert und in Steuersignale umgewandelt, die dann die Bewegung von Prothesen oder Orthesen steuern.
Erfassung von Muskelsignalen
Die Erfassung von Muskelsignalen kann auf verschiedene Weisen erfolgen:
- Oberflächenelektroden: Diese Elektroden werden auf der Hautoberfläche platziert und erfassen die elektrischen Potenziale der darunterliegenden Muskeln. Sie sind nicht-invasiv und einfach anzuwenden, können aber durch Hautwiderstand, Schweiß und Bewegungen beeinträchtigt werden.
- Implantierbare Elektroden: Diese Elektroden werden direkt in den Muskel implantiert und erfassen die Muskelsignale mit höherer Genauigkeit und Stabilität. Sie sind jedoch invasiv und erfordern einen chirurgischen Eingriff.
- Ultraschallsensoren: Eine neuere Methode ist die Verwendung von Ultraschallsensoren, die Schallimpulse ins Muskelgewebe senden und die reflektierten Signale analysieren, um die Muskelkontraktionen zu erkennen. Diese Methode ist nicht-invasiv und bietet eine hohe Präzision.
Signalverarbeitung und Steuerung
Die von den Elektroden erfassten Signale werden verstärkt und gefiltert, um Rauschen und Störungen zu reduzieren. Anschließend werden die Signale analysiert, um die Art und Intensität der Muskelkontraktion zu bestimmen. Diese Informationen werden dann in Steuersignale umgewandelt, die die Motoren der Prothese oder Orthese ansteuern.
Arten von Prothesen und Orthesen
Es gibt verschiedene Arten von Prothesen und Orthesen, die mit myoelektrischer Steuerung betrieben werden können:
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- Myoelektrische Prothesen: Diese Prothesen ersetzen fehlende Gliedmaßen und werden durch Muskelsignale gesteuert. Sie ermöglichen es den Anwendern, eine Vielzahl von Bewegungen auszuführen und alltägliche Aufgaben zu erledigen.
- Myoelektrische Orthesen: Diese Orthesen unterstützen geschwächte oder gelähmte Gliedmaßen und helfen den Anwendern, ihre Bewegungsfähigkeit wiederzuerlangen. Sie werden häufig nach Schlaganfällen, Verletzungen des Plexus brachialis oder bei infantiler Zerebralparese eingesetzt.
Anwendungsbereiche der myoelektrischen Steuerung in der Neurologie
Die myoelektrische Steuerung findet in verschiedenen Bereichen der Neurologie Anwendung:
Rehabilitation nach Amputationen
Nach Amputationen der oberen Extremitäten ermöglicht die myoelektrische Steuerung die Anpassung von Prothesen, die durch Muskelsignale gesteuert werden. Konventionelle myoelektrische Prothesen bei transhumeralen und glenohumeralen Amputationen werden mit zwei Muskelsignalen angesteuert, welche von zwei getrennt innervierten Muskelgruppen der verbliebenen Stumpfmuskulatur stammen. Auf transhumeralem Amputationsniveau werden der M. biceps und M. triceps, bei glenohumeralen Stümpfen meist der M. pectoralis major und der M. latissimus dorsi dafür verwendet. Die verschiedenen prothetischen Gelenke und Funktionen (Hand, Handgelenk, Ellenbogen) müssen mittels Kokontraktionen der erwähnten zwei Muskeln angewählt und in der jeweiligen Ebene mit denselben Muskeln linear angesteuert werden. Hierbei besteht die Schwierigkeit darin, dass ein und dieselbe kognitive „Bewegung“ mit verschiedenen prothetischen Funktionen belegt und somit für den Patienten nur unter größtmöglicher Konzentration einsetzbar ist.
Um die Steuerbarkeit von Prothesen bei proximalen Amputationshöhen (transhumeral, glenohumeral) zu verbessern, wurde die Technik der selektiven Nerventransfers bei Amputierten, genannt Targeted Muscle Reinnervation (TMR), entwickelt. Hierbei werden die Nerven, die durch die Amputation ihr distales Zielorgan verloren haben, an einzelne Muskeln des Stumpfes transferiert, um ebendort eine suffiziente Anzahl intuitiv steuerbarer Muskelsignale zu kreieren. Die Zielmuskeln spannen sich schließlich entsprechend der Aktivität der Spendernerven an und ihre Muskelpotenziale werden über Oberflächenelektroden an die Prothese weitergegeben. Ziel dieser Operation ist es, den Patienten mit bis zu sechs individuellen Muskelsignalen auszustatten. Auf diese Weise ist eine harmonische, intuitive, dem natürlichen Bewegungsmuster entsprechende Steuerung gewährleistet, ohne dass der Patient zwischen den verschiedenen Steuerungsebenen wechseln muss.
Rehabilitation nach Schlaganfällen
Nach Schlaganfällen können myoelektrische Orthesen eingesetzt werden, um die geschwächten oder gelähmten Arme und Hände der Patienten zu unterstützen. Diese Orthesen erfassen die schwachen Muskelsignale und verstärken sie, um die gewünschte Bewegung auszuführen. Dies ermöglicht es den Patienten, ihre Bewegungsfähigkeit wiederzuerlangen und alltägliche Aufgaben selbstständiger zu erledigen.
Behandlung von Nervenverletzungen
Bei Verletzungen des Plexus brachialis oder anderen Nervenverletzungen können myoelektrische Prothesen und Orthesen eingesetzt werden, um die fehlende oder eingeschränkte Funktion der betroffenen Gliedmaßen zu kompensieren. Die myoelektrische Steuerung ermöglicht es den Patienten, die Prothesen oder Orthesen durch die verbleibenden Muskelsignale zu steuern und somit ihre Handlungsfähigkeit zu verbessern.
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Behandlung von Phantomschmerzen
Die Technik der TMR-Operation hat sich mittlerweile auch als solide Methode zur Behandlung von Neurom- bzw. Phantomschmerzen etabliert. Denn schon ein einzelnes hypersensibles Neurom am Amputationsstumpf kann das Tragen einer Prothese unmöglich machen. Die End-zu-End-Nervenkoaptation mit einem distalen Zielorgan ist die einzige bekannte Behandlungsmöglichkeit eines Neuroms, welche das grundlegendste Bedürfnis eines Nerven respektiert: das Vorhandensein eines funktionellen Endorgans. Selektive Nerventransfers, wie bei einer TMR-Operation durchgeführt, stellen wieder eine sinnvolle Verbindung des betroffenen Nerven zu einem Endorgan her.
Phantomschmerzen sind im Gegensatz zu den Neuromschmerzen deutlich schwieriger zu verstehen und auch zu behandeln. Als Hauptauslöser wird das Zentralnervensystem angenommen, welches aufgrund der fehlenden Afferenz ein meist schmerzhaftes Phantom der verlorenen Extremität kreiert. Deshalb stellt der Phantomschmerz primär keine chirurgische Indikation dar, ist allerdings auch konservativ kaum behandelbar. Die klinische Erfahrung mit diesem Patientengut hat allerdings gezeigt, dass die durch selektive Nerventransfers neu geschaffenen Efferenzen und Afferenzen, in Kombination mit der prothetischen Versorgung, zu einer deutlichen Schmerzreduktion führen.
Fortschritte in der myoelektrischen Steuerung
Die myoelektrische Steuerung hat in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte gemacht:
Targeted Muscle Reinnervation (TMR)
Die Targeted Muscle Reinnervation (TMR) ist eine chirurgische Technik, bei der Nerven, die durch die Amputation ihr distales Zielorgan verloren haben, auf andere Muskeln umgeleitet werden. Dies ermöglicht es, mehr Muskelsignale zu erzeugen und die Prothese intuitiver zu steuern.
Mustererkennung
Die Verwendung von Mustererkennungs-Software ermöglicht es, komplexe Bewegungsmuster zu erkennen und die Prothese entsprechend zu steuern. Dies führt zu einer natürlicheren und flüssigeren Bewegung der Prothese.
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Implantierbare Sensoren
Die Entwicklung von implantierbaren Sensoren ermöglicht es, Muskelsignale mit höherer Genauigkeit und Stabilität zu erfassen. Diese Sensoren können drahtlos mit der Prothese kommunizieren und somit die Steuerung verbessern.
Sensorisches Feedback
Ein wichtiger Fortschritt ist die Entwicklung von sensorischem Feedback, das es den Anwendern ermöglicht, Informationen über die Position, Bewegung und Kraft der Prothese zu erhalten. Dies kann durch elektrische Stimulation von Nerven oder durch taktile Stimulation der Haut erfolgen.
Ultraschallbasierte Steuerung
Eine neuere Entwicklung ist die Steuerung von Prothesen mittels Ultraschallsensoren. Diese Sensoren senden Schallimpulse ins Muskelgewebe und analysieren die reflektierten Signale, um die Muskelkontraktionen zu erkennen. Diese Methode ist nicht-invasiv und bietet eine hohe Präzision.
Herausforderungen und zukünftige Entwicklungen
Obwohl die myoelektrische Steuerung bereits erhebliche Fortschritte gemacht hat, gibt es noch einige Herausforderungen zu bewältigen:
- Verbesserung der Signalqualität: Die Qualität der Muskelsignale kann durch verschiedene Faktoren beeinträchtigt werden, wie z.B. Hautwiderstand, Schweiß und Bewegungen. Es ist daher wichtig, die Signalqualität zu verbessern, um eine zuverlässige Steuerung der Prothese zu gewährleisten.
- Entwicklung von intuitiveren Steuerungsmethoden: Die Steuerung von Prothesen kann für die Anwender anfangs schwierig sein. Es ist daher wichtig, intuitivere Steuerungsmethoden zu entwickeln, die es den Anwendern ermöglichen, die Prothese auf natürliche Weise zu steuern.
- Integration von sensorischem Feedback: Die Integration von sensorischem Feedback ist ein wichtiger Schritt, um die Funktionalität und Akzeptanz von Prothesen zu verbessern. Es ist daher wichtig, effektive Methoden zur Erzeugung von sensorischem Feedback zu entwickeln.
- Miniaturisierung und Energieversorgung: Die Miniaturisierung der elektronischen Komponenten und die Entwicklung von effizienten Energieversorgungssystemen sind wichtige Ziele, um die Prothesen leichter und komfortabler zu machen.
- Kostenreduktion: Die Kosten für myoelektrische Prothesen und Orthesen sind oft hoch. Es ist daher wichtig, die Kosten zu senken, um die Technologie für eine breitere Bevölkerungsschicht zugänglich zu machen.
Zukünftige Entwicklungen in der myoelektrischen Steuerung könnten die Entwicklung von vollständig implantierten Systemen, die Verwendung von künstlicher Intelligenz zur Verbesserung der Steuerung und die Integration von sensorischem Feedback in Echtzeit umfassen.
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