Neuartige Beinprothesen-Technik verbessert das Gehen

„Die Studie zeigt an einer repräsentativen Patientengruppe, dass die Agonist-Antagonist-Myoneuronal-Interface-Methode (AMI) in Verbindung mit sensorischer Rückkopplung zu verbessertem Gang nach Amputation führt. Der Vorteil ist, dass die Patienten durch den Eingriff auf natürliche Weise wieder ein propriozeptives Feedback erhalten. Auch die direkte Steuerung der Prothese über die Aufzeichnung der Muskelaktivierung kommt nachweislich der natürlichen Steuerung des Kunstfußes zugute. Dies ist ein wichtiges Ergebnis, das ein wichtiger Puzzlestein in der Entwicklung bionischer Prothesen ist. Alternative Forschungsansätze haben sich nicht auf chirurgische Methoden fokussiert, sondern auf Methoden zum sensorischen Feedback mit unterschiedlichen Bauformen von implantierbaren Elektroden. Auch dort wurde eine Verbesserung des Ganges bei geringerer körperlicher und geistiger Anstrengung berichtet (zum Beispiel [1]). Kombinationen aus beiden Methoden stehen noch aus und könnten das Feld weiter voranbringen. Kosten bei kombinierten Ansätzen sind sicherlich viel höher als bei dem hier vorgestellten Ansatz.“

„Die Methodik ist gründlich und umfassend. Es wäre sehr interessant, die Anpassungen der neuronalen Steuerung des Moments zu untersuchen, um die neurophysiologischen Veränderungen zu verstehen, die durch das AMI-Verfahren und die direkte Steuerung über Muskelaktivierungssignale verursacht werden. Die Studie ist an sieben Personen mit Amputation und AMI sowie einer weiteren Kontrollgruppe von sieben Personen mit Amputation ohne AMI-Versorgung durchgeführt worden. Die Gruppengröße von sieben Personen ist im Bereich der Entwicklung bionischer Prothesen, bei denen eine zusätzliche chirurgische Intervention durchgeführt werden muss, nicht als klein, sondern überdurchschnittlich groß anzusehen. Üblicherweise sind Gruppengrößen von zwei oder drei Personen zu finden. Durch den Einschluss einer Kontrollgruppe von sieben weiteren Personen mit Amputation ohne AMI ist diese Studie methodisch von hoher Qualität.“

„Personen, die sich einer Amputation unterziehen müssen, untergehen in jedem Fall einem chirurgischen Eingriff (manchmal ist dieser Eingriff geplant, wie im Falle einer Amputation aufgrund von Krebs oder Diabetes). In diesem könnte auch die AMI durchgeführt werden, so dass nur überschaubare Kosten durch etwas längere Operationszeiten entstünden. Die Herausforderung liegt hier eher in der Überführung dieser chirurgischen Methode in die klinische Praxis, also deren Verfügbarkeit in ‚allen‘ Krankenhäusern und nicht nur in wenigen Zentren der Maximalversorgung.“

„Die Methode scheint sich prinzipiell für viele Patienten zu eignen, bei denen nach Amputation des Fußes oder Unterschenkels noch Muskeln und Sehnen für die chirurgische Intervention (AMI) zur Verfügung stehen. Auch mit weniger komplexen und ausgereiften Prothesen ließe sich eine Verbesserung des Ganges im Vergleich zu der gegenwärtigen Standardversorgung erzielen. Somit würde auch ohne ‚große‘ finanzielle Mittel eine Versorgung von Minenopfern in Bürgerkriegsregionen der Welt, in denen es mit der Gesundheitsversorgung nicht ideal bestellt ist, von der Operationspraxis profitieren können.“

Dieses Statement entstand in Zusammenarbeit mit Dr. Cristian Pasluosta, der gemeinsam mit Professor Stieglitz in der Arbeitsgruppe für Biomedizinische Mikrotechnik am Institut für Mikrosystemtechnik der Alberts-Ludwig-Universität Freiburg arbeitet.

Frau Dr. Ernst leitet zudem die Advanced Clinician Arbeitsgruppe Mobilise-N an den niedersächsischen Hochschulstandorten Universitätsmedizin Göttingen und Medizinische Hochschule Hannover.

„Die Studie ist im Feld der Forschung zu Prothesen der unteren Extremität einfach bahnbrechend! Bereits das Times Magazine betitelte Hugh Herr, den Senior Autor und Erstbeschreiber der ‚AMI-Methode‘ als ‚Leader of the Bionic Age‘. Und das zurecht.“

„Das Kofferwort Bionik, auf Englisch Bionics, beschreibt, wie wir Chirurgen:innen die Biologie der Betroffenen so verändern können, dass sie bestmöglich mit der verfügbaren oder zukünftigen Technik kommunizieren kann.“

„Lange konzentrierten sich viele andere Forschungsgruppen auf andere sensorische Qualitäten wie warm, kalt oder die Haptik. Schon der Neurologe und Buchautor Oliver Sacks beschrieb die Propriozeption, den Lage- und Bewegungssinn unseres Körpers und als zugrundeliegenden Mechanismus der AMI-Methode wie folgt: ‚the eye of the body […] the body’s ‚secret’ sense of its position from one moment to the next’.”

„Intrinsisch motiviert als selbst bilateral Amputierter gelang es Hugh Herr und seinem Team die Propriozeption als fehlende sensorische Information für ein möglichst natürliches Gehen zu identifizieren und eine Mensch-Maschinen-Schnittstelle für die Rekonstruktion derselbigen zu realisieren.“

„Nur wenige Amputierte sind weltweit mit dieser innovativen Versorgungsstrategie im Rahmen ihrer Amputation versorgt wurden und konnten demnach eingeschlossen werden. Das experimentelle Set-Up mit den unterschiedlichsten Versuchsbedingungen und daraus resultierenden zahlreichen gewonnen Daten als auch die relevanten Vergleichsgruppen – Nicht-Amputierte und Standard-Unterschenkel-Amputierte – kompensieren die geringe Probandenzahl.“

„Ich blicke gespannt in die Zukunft dieser innovativen Versorgungsstrategie, da auch wir in unserem AMI-Patientenkollektiv deutliche funktionelle Vorteile beobachten. Das Gehvermögen, die Balance, das Koordinationsvermögen und die Weichteildeckung des knöchernen Stumpfendes sind deutlich besser und amputations-assoziierte Schmerzen im Vergleich zur Standard-Amputation messbar seltener durch ein zunächst reines Rearrangement biologischer Strukturen im Amputationsstumpf.“

„Die AMI-Prozedur sollte und kann mit anderen innovativen Amputationstechniken verbunden werden, und so das bisherige Paradigma der Amputation als rein Ablativen Eingriff (Eingriff, der Gewebe entfernt; Anm. d. Red.) neu definieren. Wie in anderen Bereichen der Medizin (Tumore, Endoprothetik) sollten für eine hohe Versorgungsqualität und Implementierung von Innovationen in die Regelversorgung auch für Amputationen interdisziplinäre Zentren mit hochspezialisierten Fachleuten in Deutschland etabliert werden.“

„Durch die funktionellen Vorteile allein durch ein Rearrangement biologischer Strukturen im Amputationsstumpf ohne den Einsatz von Fremdmaterial oder Implantaten eignet sich diese Methode für eine Vielzahl Betroffener. Die AMI-Prozedur impliziert jedoch eine längere Operationszeit und sollte so stets mit dem Allgemeinzustand des Patienten:in und auch dem Gewebetrauma bei vorangegangen Trauma abgewogen werden.“

„Diese und andere Studien (auch von unserer Arbeitsgruppe [2][3]) sind immens wichtig, da sie neben der Steuerung (efferente Signale) auch Afferenzen (Nervensignale, die zum Gehirn geleitet werden; Anm. d. Red.) mit in Betracht ziehen. Bewegungssteuerung ist am Ende ein zutiefst afferentes Phänomen und bedarf ständigen Feedbacks auf multimodaler Ebene (propriozeptiv, sensorisch, visuell und weitere). Jeder Prothesennutzer ist von diesem Feedback in Form von ‚Sensory Substitution‘ abhängig und je mehr das Feedback dem Original näherkommt, desto besser. Am besten ist dies gekoppelt mit der Bewegung, wie zum Beispiel bei ‚Body Powered Devices‘, in welchen die Bewegung und auch Kraftentwicklung direkt von den eigenen Restmuskeln gesteuert und wahrgenommen werden. Diese Arbeit versucht diesen Regelkreis durch die AMIs wieder zu schließen. Natürlich bleibt der Regelkreis durch die direkte EMG-Steuerung (Elektromyographie, gemessene Signale der Muskeln; Anm. d. Red.) immer noch entkoppelt und so offen und damit immer noch limitiert. Trotzdem steigert jede Art von Afferenz das Gefühl des Embodiments (Anerkennung des Körpers bei kognitiven Prozessen; Anm. d. Red.) und somit auch der Akzeptanz von diversen Artefakten.“

„Die geringe Patientenzahl finde ich nicht störend, da die Datensätze sowohl methodisch und auch konzeptuell gut aufgearbeitet sind.“

„In der unteren Extremität gibt es heute zwei Firmen, welche aktive Sprunggelenksprothesen herstellen, wobei zurzeit nur eine Marktreife erlangt hat. Das Gewicht wurde in der Arbeit angesprochen (die Prothese wiegt 2,42 Kilogramm; Anm. d. Red.). Die Gewichtsverteilung nicht. Tatsache ist, dass ein Fuß nur etwa 1,5 Prozent des Körpergewichts wiegt und der Unterschenkel mit allen Muskeln das Gewicht proximal (rumpfnah, Anm. d. Red.) verlagert hat, sehr ähnlich der Hand. Distales (vom Rumpf entfernt; Anm. d. Red.) Gewicht wird immer als schwer und klobig empfunden – da hilft dann auch nicht die Tatsache, dass die Prothese bewegt werden kann.“

„Alternativen für die untere Extremität sind computergesteuerte Gelenke, Systeme, welche heute extrem gut ausgereift sind. Wenn auch diese Studie auf die Limitierung von ‚State Machine or AI driven Algorithms‘ eingeht, so muss man zur Kenntnis nehmen, dass die Beine im Vergleich zu den Armen zyklisch-repetitive Bewegungen ausführen und kein Mensch an seine Füße denken will – im Gegensatz zu den Armen, welche prinzipiell kognitive Leistungen ausführen. Neben der Tatsache, dass bei Schrittwechseln (Rampe rauf/runter, Stufen, Stolpern…) kurzzeitig eine supraspinale (kognitive) Korrekturen notwendig wird, ist das Gehen grundsätzlich von spinalen Reflexen (Reflexe auf Rückenmarksebene, Anm. d. Red.) gesteuert (Spinal Gait Generator) und das ist gut so.“

„Letztlich ist auch die Finanzierung sicherlich limitierend und so ist meine Überzeugung, dass oben genannte Systeme für die Beine nicht sinnvoll sind. Das Wort ‚zweckmäßig‘ ist in der Prothetik ganz sicher wichtig.“

„Die meisten Unterschenkel-Amputationen bei Patienten (sicher mehr als 90 Prozent) sind metabolisch bedingt (Diabetes) oder aufgrund von Nikotinmissbrauch. Die Patienten sind meist sehr krank und gezeichnet durch chronisch selbstschädigendes Verhalten. Eine AMI-Prozedur dauert lange, ist verbunden mit deutlich mehr Weichteilchirurgie und sicherlich für dieses Patientengut nicht geeignet. Die klassische Amputationshöhe ist zwei Querfinger unter der Tuberositas Tibiae (knienaher Knochenfortsatz am Schienbein; Anm. d. Red.) – und das mit gutem Grund, da die Weichteildeckung über dem Knochen sehr wichtig ist. Der Letztautor der Studie, Hugh Herr, den ich gut kenne, hat selbst seine Füße verloren und weiß ein Lied davon zu singen, und ich wage zu bezweifeln, dass er sich ein AMI machen lassen würde.“

„Ich denke, sehr wenige Patienten kommen für das Verfahren in Frage. Wenn auch in Harvard schon mehr als 50 Patienten diesbezüglich operiert wurden, wird die Bedeutung dieses Verfahrens in der Summe sehr limitiert sein.“

„Das ist ein sehr interessanter Ansatz, der den Amputierten weltweit Hoffnung macht. Es gibt mehrere Forschungsbereiche, in denen eine bessere Verbindung und Kontrolle von Prothesen angestrebt wird: Die biomechanische Integration von Prothesenkomponenten in den Körper ist eine Herausforderung. Obwohl die Schafttechnologie, die in den meisten klinischen Geräten enthalten ist, fortschrittliche Lösungen bietet, die an unterschiedliche Stumpfformen angepasst werden können, ist der Verbindungsschaft für die Patienten nach wie vor höchst unbefriedigend. Die Befestigung über eine direkte Verbindung mit den Stumpfstrukturen ist besser geeignet. Dies wird durch ein Metallimplantat erreicht, das in die Skelettstrukturen eingesetzt und dann mit der Prothese verbunden wird: Osseointegration. Für die Steuerung der Prothese gibt es eine Reihe von Lösungen, deren Wahl vom Grad der Amputation und der Art der Prothese abhängt. Das neuromuskuläre System des Menschen kann direkt durch eine Schnittstelle mit dem Gehirn, den Nerven, den Muskeln oder indirekt durch die Erfassung der Bewegungsabläufe der vorhandenen anatomischen Strukturen adressiert werden, was durch Implantate in den Muskeln, den Nerven oder deren Kombination mit chirurgischen Techniken erreicht wird. Um schließlich die Prothese zu spüren, können Elektroden in die Restnerven implantiert und mit den künstlichen Sensoren verbunden werden, um die Empfindungen der fehlenden Gliedmaßen zu erzeugen. Bei all diesen Ansätzen fehlt jedoch die Propriozeption (Gefühl für die Bewegung und Position der Gliedmaßen), und die vorliegende Arbeit schließt diese Lücke.“

„Ich halte die Studie für sehr vielversprechend, da die Autoren bei sieben Patienten einen chirurgischen Ansatz gewählt und diesen mit sieben konventionellen Ansätzen verglichen haben. Die relativ geringe Zahl von Probanden muss im Zusammenhang mit der Tatsache gesehen werden, dass ein chirurgischer Eingriff erforderlich ist, der im Vergleich zu anderen klinischen Studien, die weniger invasiv sind, sehr viel komplizierter ist. Die Autoren kompensieren dies mit einer hohen Anzahl von Wiederholungen.“

„Ich denke, dass dies eine sehr vielversprechende Methode ist, die allein oder in Kombination mit anderen möglichen Ansätzen eingesetzt werden kann. Der spezifische Ansatz in der Zukunft der Neurotechnologie für Amputierte liegt in der personalisierten und kombinierten Anwendung verschiedener beschriebener Technologien und chirurgischer Ansätze, je nach Amputationsgrad und den spezifischen Eigenschaften des Patienten. Der Preis dafür ist derzeit möglicherweise hoch, aber auf lange Sicht wird dies durch den Gewinn an Patientenindividualität und Einsparungen bei den klinischen Kosten aufgrund der neuartigen Technologie aufgewogen.“

„Aktuell scheint der in dieser Arbeit gezeigte Ansatz nur für Patienten mit Unterschenkelamputationen geeignet zu sein. Die Autoren merken jedoch an, dass sie bereits dabei sind, die Anwendung auf andere Amputationstypen (Oberschenkel- oder Armamputierte) auszuweiten. Diese Anwendungen müssen jedoch erst noch eindeutig gezeigt werden.“