Prototyp Hand-Exoskelett, Bild: Universitätsklinik Tübingen

Der Vorläufer-Prototyp des Hand-Exoskeletts ist noch nicht tragbar und wird am Rollstuhl montiert. Bild: Universitätsklinik Tübingen

In der ersten Projektphase erfolgen Forschung und Entwicklung, um das neue hirngesteuerte Hand-Exoskelett aufzubauen. Daran schließt sich eine intensive Testphase an, bei der das Gerät von bis zu zehn Schlaganfallpatienten und fünf Querschnittsgelähmten im Alltag getestet wird. „Für uns ist es wichtig, Patienten von Anfang an miteinzubeziehen“, erklärte Projektkoordinator Dr. med. Surjo R. Soekadar, Psychiater am Universitätsklinikum Tübingen.

„Unser langfristiges Ziel ist, dass Patienten das System selbstständig im Alltag nutzen können“, sagt Soekadar. Um dieses Ziel zu erreichen, bündelt das Projekt die Expertise diverser Forschungsgruppen der Universitätsklinik Tübingen, der Universitäten Tübingen und Stuttgart sowie die Expertise der Hochschule Reutlingen in den Bereichen der Neurowissenschaften, Robotik und Informatik.

Das Forscherteam greift auf den Prototyp eines hirngesteuerten Hand-Exoskeletts zurück, das bereits von einem internationalen Team an Wissenschaftlern unter Führung der Universität Tübingen entwickelt wurde. Mit ihm war es gelungen, die Handfunktion Querschnittsgelähmter mit technischen Mitteln fast vollständig wiederherzustellen. Das System war noch nicht tragbar und musste von speziell ausgebildeten Personen angelegt und bedient werden.

Gelähmte Personen sollen es eigenständig nutzen

Ausgehend von diesen Vorarbeiten wird im neu gestarteten Projekt ein tragbares und alltagstaugliches Hand-Exoskelett entwickelt, das sich an den Kontext der Anwender anpasst. Halbseitig-gelähmte Personen, wie Schlaganfallpatienten, sollen es selbstständig anlegen und nutzen können. „Durch den Einsatz neuer Materialien, wie Silikonelastomeren, also transparenten und elastischen Kunststoffen, möchten wir auch den kosmetisch-ästhetischen Bedürfnissen der Anwender gerecht werden“, so Soekadar. Hierfür konnte das Tübinger Unternehmen CHT Group, ein Global Player im Bereich Spezialitätenchemie, als Kooperationspartner gewonnen werden.

Die Steuerung des Hand-Exoskeletts basiert auf einem sogenannten Brain/Neural-Computer Interaction (BNCI) System. Dabei werden am Kopf Hirnströme gemessen und mit weiteren Biosignalen, wie Augenbewegungen, kombiniert verarbeitet. Die Vorstellung einer Finger-Bewegung, die zu einem charakteristischen Hirnstrom-Signal führt, wird so in ein Steuersignal für das Hand-Exoskelett übersetzt, das schließlich die gelähmte Hand in Echtzeit bewegt.

Doch mit Bewegungsimpulsen allein ist es nicht getan. Ein Glas oder ein Ei muss vorsichtig angefasst werden, damit es nicht zerbricht, andere Greifbewegungen erfordern ein festes Zupacken. Damit die gelähmte Hand mittels Hand-Exoskelett entsprechend greift, kommen beim Projekt weitere Techniken zum Einsatz. So wollen die Forscher die bisherige Sensorik des Systems weiter verfeinern, um Greifbewegungen den Anforderungen im Alltag anzupassen.

Cristóbal Curio, Leiter des Bereichs Kognitive Systeme an der Hochschule Reutlingen, und sein Team sorgen hierbei für die Integration einer 3D-Objekterkennung. Das Tübinger Labor für Theoretische Sensomotorik unter Leitung von Martin Giese lässt sein Know-How im Bereich der Bewegungsanalyse mittels tragbarer Sensoren einfließen. Martin Spüler und Wolfgang Rosenstiel von der Technischen Informatik der Universität Tübingen sorgen schließlich dafür, dass sich das System selbstständig kalibriert.

Elektroden für mehr Muskelaktivität

Forscherteam Hand-Exoskelett, Bild: Hochschule Reutlingen
Das Forscherteam hat sich in Tübingen auf einen detaillierten Fahrplan verständigt. Bild: Hochschule Reutlingen

Für Patienten, die noch Muskelaktivität an den Händen haben, jedoch nicht genügend Kraft aufbringen, um sichere Greifbewegungen zu bewerkstelligen, sollen sogenannte elektromyografische (EMG) Elektroden zum Einsatz kommen. Hierfür konnten Oliver Röhrle und Leonardo Gizzi vom Institut für Mechanik/Lehrstuhl Kontinuumsmechanik der Universität Stuttgart gewonnen werden. Einen besonders herausfordernden Teil verantwortet Urs Schneider, Bereichsleiter Fraunhofer IPA. Er wird mit seinem Team am Institut für Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb (IFF) der Universität Stuttgart, Abteilung Mensch-Technik-Interaktion, das alltagstaugliche Hand-Exoskelett konstruieren sowie alle erforderlichen Sensoren zusammenfügen.

Neben der Verbesserung der Lebensqualität für Querschnittsgelähmte und Schlaganfallpatienten erhofft sich die Forschergruppe übrigens auch Fortschritte in der Rehabilitation der Patienten. Erste Erkenntnisse deuten darauf hin, dass die regelmäßige Verwendung eines neuralen Exoskeletts nach Schlaganfall oder Rückenmarksverletzungen zu einer Erholung der Bewegungsfähigkeit führen kann. hei