FeetBack Rückführung des Tastsinns von High-Tech Handprothesen

High-Tech Handprothesen versuchen physiologische Hände funktionell zu imitieren. Während ihrer Entwicklung wurde aber ein wichtiger Punkt vernachlässigt: Sie fühlen ihre Umgebung nicht. Mit FeetBack will das Institute for Human Centered Engineering HuCE und die Uniklinik Balgrist Zürich hierfür eine Lösung bieten.

Steckbrief

  • Lead-Departement Technik und Informatik
  • Institut Entwicklung eines künstlichen Tastsinns
  • Forschungseinheit Medizintechnik
  • Laufzeit (geplant) 01.01.2018 - 31.12.2022
  • Projektverantwortung Dr. med. Martin Berli, Balgrist ZH
  • Projektleitung Prof. Dr. Volker M. Koch, BFH
  • Projektmitarbeitende Rafael Morand, BFH
    Sabrina Catanzaro, Balgrist ZH
    David Egger, Balgrist ZH
  • Partner Institute for Human Centered Engineering HuCE
    Universitätsklinik Balgrist ZH
  • Schlüsselwörter Myoelektrische Prothese, Closed-Loop Hand Control, Vibrotaktiles Feedback

Ausgangslage

Nach einer Amputation von Extremitäten können die Gliedmassen durch Prothesen ersetzt werden. Für Handprothesen gibt es drei verschiedene Sorten.

  1. Kosmetische Prothesen
  2. Body-Driven Prothesen
  3. Myoelektrische Prothesen

Kosmetische Prothesen sind starre Replikate und sollen möglichst natürlich aussehen, damit sich der Träger oder die Trägerin damit wohl fühlt. Body-Driven Prothesen dagegen können ihre Finger bzw. Greifer bewegen, in dem der Träger ein Kabel anzieht oder lockert. Das erwähnte Kabel ist dabei nicht am fehlenden Körperglied angemacht, sondern an einem anderen Körperteil. Somit hat der Träger oder die Trägerin eine relativ gute Kontrolle über die Griffkraft, da der Druck über das Kabel spürbar ist. Die dritte Art von Prothesen sind myoelektrischer Natur. Das heisst, die Prothesen werden über die Muskelströme im Prothesenschaft an der Hautoberfläche des Stumpfes gesteuert. So wird die Handsteuerung vom Benutzer abgekoppelt, was komplexere Griffmuster ermöglicht als diejenigen einer Body-Driven-Prothese. Jedoch fühlt der Träger so nicht, wie stark ein Gegenstand in der Hand gehalten wird  und muss die Prothese ständig visuell kontrollieren. Dies wiederum ist ermüdend und führt zu einer hohen Zurückweisungsrate dieser Geräte.

Ziele

Das Institute for Human Centered Engineering HuCE an der BFH arbeitet an einem Gerät, das an eine kommerzielle Prothese angebracht werden kann und sie um den Tastsinn erweitert. Damit soll die mentale Last zur Steuerung einer myoelektrischen Prothese gesenkt und die Akzeptanz der Besitzer und Besitzerinnen gegenüber ihren Geräten erhöht werden. Nach der Entwicklung soll das Endprodukt gemeinsam mit der Universitätsklinik Balgrist in Zürich an einseitig amputierten Studienteilnehmenden klinisch getestet werden.

Vorgehen

Forschende weltweit arbeiten an einer Lösung, um künstlichen Händen einen Tastsinn zu geben und diesen dem Menschen zurückzuführen. Viele Studien konzentrieren sich auf eine Rückführung von Sensordaten der Fingerspitzen auf den Stumpf innerhalb der Prothese. In einem früheren Projekt hat die BFH in Zusammenarbeit mit der EPFL und dem CSEM ähnliche Lösungswege versucht und hat positive Resultate erzielt. Die Probanden waren aber mit dem Design unzufrieden, weil es am Arm zu schwer und unästhetisch wirkte. So ist die Idee von FeetBack geboren: Das Feedback der Sensordaten soll nicht länger im Schaft zurückgeführt werden, sondern diskret im Schuh. Die Füsse reagieren, ähnlich wie die Hand, empfindlich auf Vibrationen, was die Forschenden nutzen möchten. Dem Entwicklungsteam ist dabei besonders wichtig, auf keine invasiven Methoden zurückzugreifen.

Lösung

Das System besteht aus zwei Teilen: einem Sensorhandschuh für die Prothese und der FeetBack-Schuheinlage mit Vibrationsmotoren. Der Sensorhandschuh misst mit jeweils einem Sensor am Daumen und Zeigefinger die Griffkraft der Hand (die Handgriffe der führenden Prothesenhersteller stellen diese zwei Finger in den Fokus). Die Griffkraft wird danach über Funk vom Handmodul an das Fussmodul gesendet, wo die Kraft anschliessend einem von sechs Niveaus zugeteilt wird. Ohne Belastung in der Hand, erhält der Träger kein Feedback. Sobald die Griffkraft jedoch ansteigt, werden spezifische Vibrationsmotoren in der Sohle zur Vibration gesteuert. Motoren, die innerhalb der Schuheinlage nahe an den Zehen sind, deuten schwache Griffkräfte an. Je weiter hinten die Motoren bei der Ferse platziert sind, desto höher ist die Griffkraft. Das bedeutet, dass die Griffkraft im Schuh räumlich codiert ist.

Die Tauglichkeit des Systems wird erst noch klinisch erforscht. Das Entwicklungsteam ist jedoch zuversichtlich, dass das System FeetBack positive Resultate erzielen wird und so High-Tech Prothesen für Benutzer und Benutzerinnen zukünftig attraktiver machen kann.