Neurale Schnittstellen und sensorisches Feedback

Neurale Schnittstellen und sensorisches Feedback betreffen die bidirektionale Verbindung zwischen einer angetriebenen Prothese und dem Nervensystem des Benutzers. Der ausgehende Pfad liest die Absicht – aus Restmuskelaktivität, chirurgisch umgeleiteten Nerven oder direkt aus peripheren Nerven – und wandelt sie in Gerätebefehle um. Der eingehende Pfad schließt den Regelkreis, indem er dem Benutzer Berührungs-, Kraft- oder Positionsinformationen zurückgibt, sodass die Extremität nicht nur gesteuert, sondern auch gefühlt wird. Zusammen definieren diese das Ziel einer bidirektionalen, intuitiven Prothese.

Definition

Eine neurale Schnittstelle für Prothesen ist das System, das motorische Befehle vom Nerven- oder Muskelsystem des Benutzers an ein Gerät überträgt und, bei bidirektionalen Designs, sensorische Signale an den Benutzer zurückgibt, wodurch die Steuerung und Empfindung einer künstlichen Extremität ermöglicht wird.

Scope

Das Thema umfasst die Befehls- (efferenten) und Feedback- (afferenten) Schnittstellen, die bei angetriebenen Prothesen verwendet werden: myoelektrische Steuerung, gezielte Muskelreinnervation, periphere Nervenschnittstellen und die Mittel zur Wiederherstellung taktiler und propriozeptiver Empfindungen. Es konzentriert sich auf Prinzipien und Forschungsergebnisse, nicht auf chirurgische Techniken oder die Anpassung von Geräten. Es ist referenz-pädagogisch und bietet keine klinische Anleitung.

Core questions

• Wie wird die Bewegungsabsicht extrahiert – aus Muskeln, transplantierten Nerven oder peripheren Nerven?
• Was ist gezielte Muskelreinnervation, und warum verbessert sie die Kontrolle?
• Wie können Berührung und Propriozeption an einen Prothesennutzer zurückgegeben werden?
• Was bedeutet es, wenn eine Prothese „bidirektional“ ist?

Key concepts

• Efferente (Befehls-) versus afferente (Feedback-) Bahnen
• Oberflächen- und intramuskuläre myoelektrische Steuerung
• Gezielte Muskelreinnervation
• Periphere Nervenschnittstellen (Manschetten- und intraneurale Elektroden)
• Neurale Stimulation für taktile Empfindung
• Bidirektionale (Closed-Loop-) Prothesen
• Verkörperung und intuitive Kontrolle

Mechanisms

Auf der Befehlsseite zeichnen Oberflächen- oder intramuskuläre Elektroden elektromyographische Aktivität von Restmuskeln auf, die ein Decoder Prothesenbewegungen zuordnet. Die gezielte Muskelreinnervation verlagert chirurgisch Nerven, die einst die verlorene Extremität versorgten, auf freie Muskeln, wodurch neue, physiologisch bedeutsame Kontrollstellen entstehen, die reichere myoelektrische Signale für Multifunktionsarme liefern [kuiken-2009]; dieselben dekodierten Signale haben ein angetriebenes Bein bei einem Amputierten mit Nerventransfers gesteuert [hargrove-2013]. Auf der Feedback-Seite kann die elektrische Stimulation durch periphere Nervenelektroden lokalisierte Berührungsempfindungen hervorrufen, die der fehlenden Hand zugeordnet werden, und über die Zeit abgestufte, stabile Wahrnehmungen liefern [tan-2014] und, wenn sie in Echtzeit mit Sensoren an der Prothesenhand gekoppelt ist, den Regelkreis für die bidirektionale Steuerung schließen [raspopovic-2014]. Übersichten katalogisieren die Feedback-Modalitäten – elektrotaktil, vibrotaktil, mechanotaktil und direkt neural –, die zu diesem Zweck verwendet werden [schofield-2014].

Clinical relevance

Die Wiederherstellung intuitiver Kontrolle und Empfindung wird als Möglichkeit untersucht, Prothesen einfacher zu bedienen, kognitiv weniger anspruchsvoll und leichter in das Körperbild des Benutzers zu integrieren. Forschungsberichte beschreiben eine natürlichere Multifunktionskontrolle nach Reinnervation [kuiken-2009] und eine wiederhergestellte Berührungswahrnehmung durch Nervenstimulation [tan-2014][raspopovic-2014]. Dieser Eintrag erläutert die Konzepte und fasst die Ergebnisse zusammen; er ist keine chirurgische oder klinische Anleitung, und die beschriebenen Techniken sind spezialisiert und weitgehend investigativ.

Evidence & guidelines

Die Evidenz besteht hauptsächlich aus kleinen, hochspezialisierten Studien und Fallserien, die die Machbarkeit und das Proof of Concept demonstrieren [kuiken-2009][tan-2014][raspopovic-2014][hargrove-2013], synthetisiert durch narrative Übersichten von Feedback-Methoden [schofield-2014]. Viele Ansätze – insbesondere direkte periphere Nervenschnittstellen und vollständig bidirektionale Systeme – befinden sich eher im Forschungsstadium als in der Routineversorgung, und es gibt keine breite Standard-of-Care-Leitlinie dafür.

History

Die myoelektrische Steuerung wird seit Mitte des 20. Jahrhunderts in der Prothetik eingesetzt, bot aber lange Zeit begrenzte, nicht-intuitive Befehle und keine sensorische Rückmeldung. Die gezielte Muskelreinnervation in den 2000er Jahren erweiterte die intuitive Steuerung von Multifunktionsarmen [kuiken-2009]. In den 2010er Jahren begann die periphere Nervenstimulation, abgestufte, stabile Berührungen wiederherzustellen [tan-2014] und wurde mit Prothesensensoren integriert, um bidirektionale Hände in Echtzeit zu schaffen [raspopovic-2014], wodurch sich das Feld von der Einwegsteuerung hin zu Closed-Loop-Schnittstellen entwickelte.

Debates

Nicht-invasive versus invasive Schnittstellen

Oberflächen-Myoelektrik und hautbasiertes Feedback sind nicht-invasiv und risikoärmer, bieten aber gröbere Signale, während implantierte Nerven- und Muskelschnittstellen eine selektivere, natürlichere Kontrolle und Empfindung versprechen, jedoch mit den Kosten einer Operation und Bedenken hinsichtlich der Langzeitstabilität verbunden sind.

Verbessert zusätzliches sensorisches Feedback die reale Funktion?

Wiederhergestellte Empfindungen können die Verkörperung und bestimmte Aufgabenleistungen in Studien verbessern, aber ob sie dauerhafte, verallgemeinerbare funktionelle Gewinne im Alltag erzielen, wird noch ermittelt.

Seminal works

• kuiken-2009
• tan-2014
• raspopovic-2014

Frequently asked questions

Was ist gezielte Muskelreinnervation?

Es ist ein chirurgischer Eingriff, bei dem Nerven, die einst die amputierte Extremität kontrollierten, auf verbleibende Muskeln übertragen werden. Wenn der Benutzer daran denkt, die fehlende Extremität zu bewegen, kontrahieren diese Muskeln und erzeugen elektrische Signale, die eine myoelektrische Prothese für eine intuitivere Steuerung lesen kann.

Kann eine Prothesenhand dem Benutzer Berührungen fühlen lassen?

Forschungsprothesen haben ein Gefühl der Berührung wiederhergestellt, indem sie die peripheren Nerven des Benutzers in Mustern elektrisch stimulierten, die mit Sensoren an der Hand verbunden sind. Diese bidirektionalen Systeme sind immer noch weitgehend experimentell und keine klinischen Standardgeräte.