Einführung
Die Forschung an Nervensystem-Exoskelett-Schnittstellen (auch bekannt als Brain-Computer-Interfaces, BCIs) hat in den letzten Jahren enorme Fortschritte gemacht. Diese Technologie verspricht, Menschen mit Lähmungen und anderen neurologischen Erkrankungen neue Möglichkeiten der Rehabilitation und der Wiederherstellung von Autonomie zu eröffnen. Die Vision, dass gelähmte Patientinnen und Patienten nach Jahren der Immobilität plötzlich wieder in der Lage sind, sich zu bewegen, ist dank modernster Technologien wie Quantensensoren in Exoskeletten in greifbare Nähe gerückt.
Grundlagen der Nervensystem-Exoskelett-Schnittstelle
Die Idee hinter Nervensystem-Exoskelett-Schnittstellen ist einfach, aber genial: Hirnsignale werden ausgelesen, interpretiert und in Bewegungen eines Exoskeletts umgesetzt. Wenn eine Patientin oder ein Patient an eine Bewegung denkt, beispielsweise daran, den Arm zu heben, entstehen elektrische Signale im Gehirn. Diese Signale werden normalerweise über Nervenbahnen an den Arm weitergeleitet, wo sie die Muskeln zur Ausführung der Bewegung anregen. Bei gelähmten Personen sind diese Signalwege zwar intakt, aber der Körper kann die Signale nicht mehr umsetzen.
Hier kommt die Nervensystem-Exoskelett-Schnittstelle ins Spiel. Sensoren, die über Brain-Computer-Interfaces (BCIs) mit dem Gehirn verbunden sind, messen die Hirnsignale. Ein Computer wandelt diese Signale in Befehle um, die das Exoskelett dann in entsprechende Bewegungen umsetzt. Auf diese Weise kann der Patient das Exoskelett allein durch seine Gedanken steuern.
Dr. Surjo Soekadar, Leiter des Fachbereichs Translation und Neurotechnologie der Charité, forscht seit Jahren an neuralen Exoskeletten und hat mit seinem Team bereits marktreife Systeme entwickelt. Er erklärt: „Neurale Exoskelette erlauben es zum Beispiel, nach einem Schlaganfall im Alltag wieder beide Hände zu nutzen.“ Es gibt sogar schon Exoskelette, die es Querschnittsgelähmten ermöglichen, wieder zu laufen.
Ein Beispiel für eine solche Anwendung ist ein Patient, der an der Berliner Charité ein von Forschern entwickeltes Brain-Computer-Interface zur Steuerung einer Exoskelett-Hand testet. Der Patient trägt eine Kappe mit Elektroden, die seine Hirnströme erfassen. Die gemessenen Signale werden an das Exoskelett am Arm weitergeleitet, welches diese Informationen in Bewegungen umsetzt. Der Mann steuert das Exoskelett also mit seinen Gedanken.
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Herausforderungen und Lösungsansätze
Obwohl die bisherigen Fortschritte beeindruckend sind, gibt es noch einige Herausforderungen zu bewältigen, bevor Nervensystem-Exoskelett-Schnittstellen flächendeckend eingesetzt werden können.
Grobmotorik statt Feinmotorik
Die aktuellen Exoskelett-Modelle für das Laufen sind eher als grobschlächtige und schwere Roboteranzüge oder -stützen zu betrachten. Exoskelette für Arme und Hände können bisher grundlegende Bewegungen ausführen, jedoch keine Feinmotorik wie das Greifen einer Tasse.
Störanfälligkeit der Sensoren
Viele der aktuellen Systeme funktionieren nur unter Laborbedingungen, da die Sensoren, die die Hirnaktivität auslesen, äußerst störanfällig sind.
Invasive Eingriffe
Für Hirn-Computer-Schnittstellen, mit denen man komplexe Bewegungen steuern kann, ist derzeit meist eine riskante Operation nötig, bei der Sensoren in den Kopf implantiert werden.
Um diese Probleme zu lösen, arbeiten mehrere führende deutsche Forschungsinstitutionen im Projekt NeuroQ zusammen. Ziel ist es, neue Sensoren zu entwickeln, die die bisherigen Probleme der neuralen Exoskelette lösen könnten.
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Dr. Jan Jeske, Gruppenleiter Quantenmagnetometrie am Fraunhofer IAF, erklärt: „Die Quantensensorik wird, denke ich, in den nächsten zehn bis 20 Jahren einen großen Einfluss auf die Industrie und in der Medizintechnik haben, von Messtechnik bis hin zu bildgebenden Verfahren.“ Gerade bei Hirn-Computer-Schnittstellen hätten Quantensensoren enorme Vorteile.
Die Quantensensoren, die im Rahmen des Projekts NeuroQ entwickelt werden, sollen so empfindlich sein, dass sie Hirnaktivität auch dann noch interpretieren können, wenn sie nur auf dem Kopf aufliegen, ohne dass eine Operation erforderlich ist. Die Sensoren könnten beispielsweise in ein Stirnband integriert werden, das sich nach Bedarf auf- und absetzen ließe.
Ein weiterer Vorteil der Quantensensoren besteht darin, dass sie Magnetfelder messen, die das Gehirn beim Denken produziert. Im Gegensatz zu elektrischen Signalen werden Magnetfelder durch den Schädelknochen nicht abgeschwächt, wodurch sie potenziell deutlicher zu messen sind als mit herkömmlichen EEG-Sensoren.
Funktionsweise der Quantensensoren
Die Entwicklung der Quantensensoren am Fraunhofer IAF basiert auf künstlich hergestellten Diamanten mit speziellen Stickstoff-Fehlstellen (NV-Zentren). Diese NV-Zentren verhalten sich wie winzige Magnete und reagieren empfindlich auf Magnetfelder in ihrer Umgebung. Um diese zu messen, werden ein grüner Laser sowie Radiowellen auf den Diamanten gerichtet, wodurch die NV-Zentren angeregt werden. Diese absorbieren das grüne Laserlicht und emittieren rotes Licht. Die Intensität dieses roten Lichts ist abhängig vom auf die NV-Zentren wirkenden Magnetfeld.
Die Diamant-Quantensensoren können so auch die Magnetfelder messen, die das Gehirn beim Denken produziert - und das mit größerer Genauigkeit als derzeitige Sensorarten. Dadurch ließen sich Exoskelette viel präziser steuern als bisher, was erstmalig auch Feinmotorik möglich machen würde.
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Ein weiterer wichtiger Vorteil ist, dass Diamant-Quantensensoren selbst dann noch zuverlässig messen, wenn sie mit anderen Hintergrundfeldern konfrontiert werden. Dies eröffnet die Perspektive, sie künftig nicht nur im abgeschirmten Labor einzusetzen.
Weitere Anwendungsbereiche und Zukunftsperspektiven
Die Entwicklung von Nervensystem-Exoskelett-Schnittstellen hat das Potenzial, nicht nur die Rehabilitation von Menschen mit Lähmungen zu revolutionieren, sondern auch in anderen Bereichen der Medizin eingesetzt zu werden.
Intraoperative Nervenerkennung
Jan Jeske vom Fraunhofer IAF sieht beispielsweise die Möglichkeit, Quantensensoren während Operationen einzusetzen, um feinste Nerven zu erkennen und so zu vermeiden, dass sie versehentlich durchtrennt werden.
Verbesserung der MRT-Technologie
Ein weiteres Anwendungsgebiet wäre die Verbesserung der Magnetresonanztomographie (MRT) durch den Ersatz bisheriger MRT-Sensoren durch Quantensensoren.
Rehabilitation und Feedbackschleifen
Ein besonders spannendes Szenario ergibt sich in der Rehabilitation von gelähmten Patientinnen und Patienten durch den Einsatz von neuralen Sensoren und Exoskeletten, die Muskeln aktivieren. Hier entsteht eine Feedbackschleife mit weitreichenden Folgen.
Soekadar von der Charité berichtet von Schlaganfallpatienten, die teilweise über Jahre und Jahrzehnte gelähmt waren und nach dem Einsatz dieser Technik plötzlich ihre Hand wieder von allein bewegen konnten.
Behandlung psychischer Erkrankungen
Die Technik könnte auch in der Behandlung von psychischen Erkrankungen wie Depressionen, Sucht- oder Zwangsstörungen eingesetzt werden.
Langfristig könnten teure Exoskelette für zu Hause überflüssig werden, da die Patienten sich durch die regelmäßige Anwendung der Hirn-Computer-Schnittstelle wieder erholen. Damit würde diese Technologie für diese Menschen im weiteren Verlauf praktisch obsolet.
Weitere vielversprechende Projekte und Technologien
Neben dem Projekt NeuroQ gibt es eine Reihe weiterer vielversprechender Projekte und Technologien im Bereich der Nervensystem-Exoskelett-Schnittstellen.
EXTEND: Intelligente Netzwerke zur Reduktion von Muskelzittern
Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Biomedizinische Technik IBMT haben gemeinsam mit internationalen Verbundpartnern eine Technologie-Plattform entwickelt, die Menschen mit Muskelzittern (Tremor) künftig helfen soll, den Tremor zu stoppen.
Das System besteht aus winzigen biokompatiblen Elektroden, die in die Muskulatur injiziert werden und gemeinsam mit externen Elektroden und Controllern ein intelligentes Netzwerk aus Sensoren und Aktoren bilden. Dieses Netzwerk detektiert Muskelsignale und setzt bei Bedarf elektrische Stimuli.
Die Technologie kann künftig Menschen mit neuromuskulären Erkrankungen wie etwa Tremor oder auch Lähmungssymptomen helfen. Sogar Menschen mit Verletzungen des Rückenmarks könnten davon profitieren.
NerveRepack: Innovative implantierbare neuronale Schnittstelle
Im europäischen Partnerschaft KDT wird das Projekt NerveRepack gefördert. Ziel des Projektes ist es, eine innovative implantierbare neuronale Schnittstelle zu entwickeln, die das menschliche Nervensystem mit externen Hilfsmitteln, wie Exoprothesen und Exoskeletten, verbinden kann. Für amputierte oder gelähmte Menschen soll durch die Bidirektionalität ein haptisches Feedback realisiert werden, womit eine wesentlich genauere Steuerung der Hilfsmittel möglich wird.
PlayAgain: Neuronale Schnittstelle zur Stärkung der Handfunktion bei Kindern
Im Rahmen des Projekts „PlayAgain“ an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) wird eine neuronale Schnittstelle entwickelt, die Verbindungen vom Gehirn zur Unterarmmuskulatur der gelähmten Hand stärken bzw. wiederherstellen kann. Ziel ist es, Kindern (und auch Erwachsenen) dabei zu helfen, eine beeinträchtigte Hand wieder bewegen und mit ihr wieder greifen zu können.
Das Prinzip: An den Armen angebrachte Sensoren messen die noch vorhandenen Signale zwischen Gehirn und Muskeln. Eine Gehirn-Computer-Schnittstelle decodiert KI-gestützt die aufgenommenen Signale, um daraus die Bewegungsabsicht der Person abzuleiten. Diese werden weitergegeben an ein Exoskelett in Form eines Handschuhs.
Exoskelette im Alltag: Bezahlbarkeit und Praktikabilität
Prof. Dr. Herr Professor Cheng forscht an Robotersystemen, die künftig Querschnittsgelähmten das Laufen ermöglichen sollen. Er betont, dass es in den nächsten Jahren darum gehen wird, die Exoskelette sehr viel bezahlbarer, leichter und praktischer in der Anwendung zu machen.
Er sieht die Zukunft in modularen Systemen: Wer Hilfe für den Unterkörper braucht, bekommt einen Roboter, der darauf spezialisiert ist. Wenn nur der Arm oder die Hand unterstützt werden muss, wird es Systeme dafür geben. Aber wenn man all diese Module erst hat, dann kann man sie auch zusammenführen und den ganzen Körper unterstützen.
Die Exoskelette der Zukunft werden nicht mehr aus einem Haufen Metall bestehen, sondern aus neuen, aktiv beweglichen Materialien. Man kann sich das vorstellen wie ein T-Shirt, das als Exoskelett dient.
Die Rolle der künstlichen Intelligenz
Die künstliche Intelligenz (KI) spielt eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung von Nervensystem-Exoskelett-Schnittstellen. Sie wird eingesetzt, um die komplexen Hirnsignale zu decodieren, die Bewegungsabsicht der Person abzuleiten und die Steuerung des Exoskeletts zu optimieren.
Prof. Dr. Cheng erklärt, dass die Interaktion zwischen dem Nervensystem des Patienten und dem Roboter immer noch eine sehr komplexe Angelegenheit ist, weil wir das Gehirn noch nicht ausreichend verstehen und alle Signale interpretieren können. Der Patient lernt zwar, mit dem Roboter zu kommunizieren und ihn so zu steuern, aber die Signale sind oft mit Impulsen von Emotionen und anderen Ablenkungen vermischt. Daher wird in der Programmierung der Roboter ein bestimmtes Paradigma verwendet: Wenn der Computer des Roboters verständliche Nervenimpulse vom Gehirn bekommt, dann nutzen wir diese Signale, um den Roboter zu steuern. Ist das nicht der Fall, dann übernimmt der Roboter und führt die Aufgabe aus.
Herausforderungen und ethische Aspekte
Trotz der vielversprechenden Fortschritte gibt es auch Herausforderungen und ethische Aspekte, die bei der Entwicklung und Anwendung von Nervensystem-Exoskelett-Schnittstellen berücksichtigt werden müssen.
Komplexe Anpassungsprozesse
Der Roboter stellt sich immer auf einen bestimmten Patienten ein, was wochen- oder monatelanges Training erfordert. Es ist ein wechselseitiger Anpassungsprozess, beide müssen lernen zu koexistieren.
Wahrnehmung und Berührungssinn
Eine der Schlüsseltechnologien für die Robotertechnik, die lange Zeit gefehlt hat, ist der Berührungssinn. Viele gelähmte Patienten können es nicht mehr fühlen, wann ihr Fuß den Boden berührt. So etwas wie einen Berührungssinn in den Fuß eines Roboters einzubauen, der in dem Moment ein Signal an den Patienten weiterleitet, wenn der Boden berührt wird, das erzeugt eine viel realistischere Vorstellung vom Laufen und ein großes Sicherheitsgefühl.
Ängste und soziale Auswirkungen
Mit der Entwicklung der Robotertechnologie gehen auch Ängste einher - Angst vor Fremdbestimmung, vor Arbeitsplatzverlust, vor Unbeherrschbarkeit. Es ist wichtig, diese Ängste ernst zu nehmen und aufzuklären - sowohl über die positiven als auch die negativen Seiten dieser Technik.
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