Die Notwendigkeit, Arm in Arm zu arbeiten: Ein Aufruf zur Zusammenarbeit bei der Bereitstellung neuroprothetischer Gliedmaßenersatzlösungen

Kurzfassung

In den letzten Jahrzehnten gab es im Zusammenspiel von BiomedizintechnikIngenieurdisziplin, die technische Prinzipien auf Medizin und Biologie anwendet, z. B. zum Bau von Implantaten und Prothesen., Neurowissenschaft und Chirurgie einen starken Vorstoß, den Einsatz fortschrittlicher Prothesen voranzutreiben. Durch die Entwicklung peripherer neuronaler Schnittstellen (PNI)Peripheral Neural Interfaces – Schnittstellen, die das periphere Nervensystem als Kommunikationskanal zwischen Gehirn und einem externen Gerät (Prothese) nutzen. und invasiver Elektroden kann das eigene Nervensystem eines Menschen genutzt werden, um eine Prothese zu steuern. Mit neuen Verbesserungen bei der Aufzeichnung neuronaler Signale und deren Dekodierung wurde der Weg für eine bidirektionale und intuitive Prothesensteuerung geebnet.

Während die Zusammenarbeit zwischen Ingenieuren und Chirurgen bei der Motorsteuerung und beim Schmerzmanagement zu beachtlichen Erfolgen geführt hat, war die Wiederherstellung des Tastsinns (Sensorik) deutlich schwieriger. Viele bestehende PNI waren in jeweils einer dieser Modalitäten erfolgreich; keine kann jedoch derzeit die Funktion einer Gliedmaße vollständig wiederherstellen. Dies liegt teils an der Komplexität des menschlichen somatosensorischen SystemsDas Sinnessystem, das Berührung, Druck, Temperatur, Schmerz und die Körperlage (Propriozeption) vermittelt. und an der Stabilität der BioelektronikElektronische Bauteile, die mit lebendem Gewebe in Kontakt stehen und Signale aufzeichnen oder Gewebe stimulieren., teils aber auch an der zersplitterten und bislang unkoordinierten Natur der Neuroprothetik-Branche.

Schlüsselwörter: NeuroprothetikAmputationProtheseperiphere Nervenschnittstellesensomotorische Funktionklinische TranslationMensch-Maschine-Zusammenarbeit

1. Einleitung

Eine Gliedmaßenamputation ist ein einschneidendes, schwer belastendes Lebensereignis, das die Lebensqualität drastisch beeinträchtigen kann. Die damit verbundenen psychosozialen Belastungen können Beruf, persönliche Beziehungen und das Selbstwertgefühl bedrohen. In den USA leben etwa 2,2 Millionen Menschen mit Gliedmaßenverlust – Tendenz steigend. Daher gibt es zunehmend Bemühungen, die mit der Amputation verbundene Beeinträchtigung zu verringern, was zu Kooperationen zwischen Medizin und Technik und zur Entwicklung innovativer Rehabilitationsstrategien geführt hat.

Fortschritte in der BiomechanikLehre von den mechanischen Eigenschaften und Bewegungen biologischer Systeme, z. B. wie Muskeln und Gelenke Kräfte erzeugen. und Prothesentechnik konzentrierten sich darauf, die Funktionalität zu verbessern und ein Gefühl der Verkörperung (Embodiment)Das Gefühl, dass eine Prothese als Teil des eigenen Körpers wahrgenommen wird, nicht als Fremdkörper. wiederherzustellen. Auch neue chirurgische Techniken wurden entwickelt, um die Nutzung der Prothese zu optimieren und chronische Schmerzen nach der Amputation zu lindern. Im Gegensatz zu diesen schnellen Entwicklungen hat sich der chirurgische Ansatz der Amputation selbst viel langsamer gewandelt.

Traditionell galt die Amputationschirurgie als reine Bergungsmaßnahme („limb salvaging"), die sich auf ausreichende Weichteildeckung und den Erhalt möglichst langer Gliedmaßen konzentrierte. Diese Sichtweise hat sich zu einem rekonstruktiven Ansatz gewandelt, der „bionische" Gliedmaßen mit High-Fidelity-Steuerung ermöglicht. Der Fokus hat sich von der Erhaltung der maximalen Gliedmaßenlänge hin zur Erhaltung einer für die Prothesensteuerung angemessenen Länge verschoben. Heute weiß man, dass maximale Länge nicht zwangsläufig maximale Funktion bedeutet – in manchen Fällen ist ein kürzerer Stumpf für ein besseres Prothesendesign vorzuziehen. Der rekonstruktive Ansatz priorisiert die Versorgung von peripheren Nerven, Weichgewebe und Reststumpfmuskulatur, um Schmerzen zu kontrollieren und die neuronale Kommunikation in der Prothese zu verbessern.

Die Fähigkeit von Mensch und Maschine, direkt über das Nervensystem zu kommunizieren, wurde mit dem Aufkommen der peripheren neuronalen Schnittstellen (PNI)Peripheral Neural Interfaces – nutzen einen peripheren Nerv als Kommunikationskanal zwischen Gehirn und externem Gerät. Realität. Jeder periphere Nerv besteht aus afferentenAfferente Nervenfasern leiten Informationen ZUM Nervensystem hin (z. B. Sinnesreize). und efferentenEfferente Nervenfasern leiten Informationen VOM Nervensystem WEG hin zu Muskeln und Organen (Bewegungsbefehle). Fasern, die eine bidirektionale Kommunikation ermöglichen: Afferente Fasern übertragen Informationen zum Nervensystem hin, efferente Fasern leiten Informationen vom Nervensystem weg. Eine Elektrode wird genutzt, um die elektrische Energie dieser Bahnen zur Stimulation oder Aufzeichnung zu erschließen.

Elektrische Signale des peripheren Nervensystems können direkt oder indirekt zur Prothesensteuerung verwendet werden. Myoelektrische SystemeSysteme, die elektrische Muskelaktivität (EMG) über Hautelektroden messen, um eine Prothese zu steuern. erfassen Elektromyographie-(EMG)-SignaleElektromyographie – Messung der elektrischen Aktivität von Muskeln. indirekt über Oberflächenelektroden, während invasivere PNI direkten Kontakt zum Nervensystem haben, um Signale aufzuzeichnen. Obwohl myoelektrische Systeme die Prothesensteuerung deutlich verbessert haben, sind sie in ihrer Fähigkeit, sensorisches Feedback zu vermitteln, stark begrenzt – ein Schlüsselelement für eine Closed-Loop-SteuerungSteuerung mit geschlossenem Regelkreis: Die Prothese gibt sensorisches Feedback zurück an den Nutzer, sodass dieser ohne ständiges Hinsehen korrigieren kann..

Die Fortschritte in der Neuroprothetik und die Entstehung von „Silos" spiegeln sich in der umfangreichen Literatur wider. Viele Übersichtsarbeiten fokussieren auf einen einzelnen Teilbereich – Elektroden, Schnittstellendesign, chirurgische Techniken (TMR, RPNI) oder Steuerungsalgorithmen. Diese bestehenden Reviews sind oft veraltet und berücksichtigen neuere Entwicklungen wie das Agonist-Antagonist-Myoneurale Interface (AMI)Chirurgische Methode, bei der gegensätzlich arbeitende Muskelpaare gekoppelt werden, um propriozeptives Feedback zu erzeugen. oder die Osseointegration (OI)Direkte Verankerung eines Metallimplantats im Knochen, an dem die Prothese befestigt wird. nicht. Vor allem aber betrachten sie die einzelnen Bereiche getrennt, ohne zu untersuchen, wie diese Domänen integriert werden könnten, um eine kohärente Lösung oder einen Behandlungsstandard zu bilden.

2. Elektroden

Elektroden interagieren mit dem peripheren Nervensystem entweder myoelektrisch oder über Nervenelektroden mit unterschiedlichem Grad an InvasivitätMaß, wie stark ein Eingriff in das Gewebe eindringt – von oberflächlich (nicht-invasiv) bis tief ins Nervengewebe eindringend.. Dieser Abschnitt befasst sich mit Elektroden in direktem Kontakt zu Nerven. Zuverlässigkeit und Langlebigkeit hängen von mehreren Faktoren ab: Gewebeinteraktion, Stimulations- und Aufzeichnungsfähigkeit sowie BiokompatibilitätVerträglichkeit eines Materials mit lebendem Gewebe, ohne schädliche Reaktionen auszulösen..

Der kritischste Bereich ist die Elektroden-Gewebe-Interaktion: Mechanische Inkompatibilität führt zu einer biologischen Gewebereaktion und schließlich zum Versagen des Geräts. Über die Zeit kann Mikrobewegung (Micromotion)Winzige Relativbewegungen zwischen Elektrode und umgebendem Gewebe, die zu Reizung und Signalverschlechterung führen. eine Entzündungsreaktion auslösen, die Signale verschlechtert und Nervenschäden verursacht. Auch das implantierte Fremdmaterial selbst kann eine Entzündungsreaktion hervorrufen. Strategien zur Abmilderung sind: Verkleinerung der Implantate, weiche und flexible Elektroden sowie bioaktive oder leitfähige Polymerbeschichtungen.

Das Hauptziel einer erfolgreichen implantierbaren Elektrode ist eine hochwertige Signalübertragung, die der rauen Umgebung standhält, ohne das Gewebe wesentlich zu stören. Idealerweise sollte sie motorische Potenziale aufzeichnen und sensorische Signale mit hoher SelektivitätFähigkeit, eine Population von Neuronen gezielt zu aktivieren, ohne benachbarte zu beeinflussen. und Langlebigkeit (Longevity)Die Stabilität bzw. dauerhafte Funktionsfähigkeit der Elektrode über die Zeit. auslösen können.

Periphere Nervenelektroden lassen sich in drei Kategorien einteilen: extraneurale, intraneurale und regenerative Elektroden.

Extraneurale Elektroden

Extraneurale Elektroden (auch „epineural") umschließen den Nerv von außen und durchdringen das EpineuriumDie äußere Bindegewebshülle, die einen ganzen peripheren Nerv umgibt. nicht. Sie sind die am wenigsten invasiven Nervenelektroden und daher weniger schadensanfällig. Die Cuff-ElektrodeManschettenförmige Elektrode, die um den Nerv gelegt wird und an ihrer Innenseite Kontakte zur Aufzeichnung/Stimulation trägt. hat eine isolierte Hülle mit Kontakten auf der Oberfläche des Epineuriums zur Aufzeichnung und Stimulation großer Nervenfasern.

Es gibt mehrere Weiterentwicklungen zur Verbesserung von Selektivität und räumlicher Auflösung: verfeinerte Geometrie, erhöhte Kontaktdichte und Verringerung der Nervenkompression. Die Flat Interface Nerve Electrode (FINE)Flache Nervenelektrode, die den Nerv leicht abflacht, dadurch die Oberfläche vergrößert und Axone näher an die Kontakte bringt – für selektivere Stimulation. vergrößert die Kontaktfläche, indem sie Axone an die Oberfläche bringt und zusätzliche Kontaktstellen schafft. Sie benötigt jedoch hohe Stimulationsströme, die unnatürliche Empfindungen oder ParästhesienMissempfindungen wie Kribbeln, Taubheit oder „Ameisenlaufen". auslösen können. Die c-FINE (composite FINE) verbessert dies durch wechselnde flexible und steife Bereiche – eine anpassungsfähige Elektrode mit hoher Kontaktdichte.

Extraneurale Elektroden haben am Menschen chronische Stabilität über bis zu 11 Jahre bei Aufzeichnung und Stimulation gezeigt. Ihre Selektivität ist jedoch begrenzt, da die fehlende Invasivität größere afferente Populationen aktiviert – es entsteht Übersprechen (Cross-Talk)Unerwünschtes Vermischen von Signalen benachbarter Muskeln oder Nervenfasern, das die Signalreinheit verschlechtert. mit der EMG-Aktivität umliegender Muskeln. Die aufgezeichneten Elektroneurographie-(ENG)-SignaleElektroneurographie – Messung der elektrischen Aktivität von Nerven (im Gegensatz zu EMG = Muskeln). haben geringere Amplituden und ein schlechtes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR)Signal-to-Noise Ratio – Verhältnis von Nutzsignal zu Hintergrundrauschen; höher = bessere Signalqualität. verglichen mit EMG. Maschinelle Lernverfahren und räumliche Filterung helfen, einzelne Signale zu trennen.

Extraneurale Elektroden werden zudem im Schmerzmanagement eingesetzt: Stimulation mit der Cuff-Elektrode beseitigte chronischen Phantomschmerz innerhalb von 6 Monaten, wobei die Linderung auch ohne weitere Stimulation anhielt. Die FINE-Elektrode zeigte nach 9 Monaten eine Beseitigung des Phantomschmerzes (PLP)Phantom Limb Pain – Schmerz, der scheinbar von der nicht mehr vorhandenen Gliedmaße ausgeht..

Intraneurale Elektroden

Intraneurale Elektroden durchdringen das Epineurium und kommunizieren direkt mit den NervenfaszikelnBündel von Nervenfasern (Axonen) innerhalb eines peripheren Nervs.. Es gibt drei Hauptvarianten:

• LIFE (Longitudinal Intra-Fascicular ElectrodeLängs ins Faszikel eingeführte Elektrode – ein Draht wird parallel zu den Fasern platziert.): Das Originaldesign platziert einen steifen Draht längs entlang eines Faszikels; pro Elektrode wird ein Draht benötigt. Die begrenzte geometrische Flexibilität und das erhöhte Schadensrisiko führten zu fortschrittlicheren Versionen. Die tf-LIFE (thin-film LIFE) nutzt flexibles Polyimid und hat eine höhere Kontaktdichte. Die längsgerichtete Anordnung verhindert jedoch den Zugang zu verschiedenen Faszikelpopulationen, was die Selektivität begrenzt.
• TIME (Transverse Intra-Fascicular Multichannel ElectrodeQuer durch das Faszikel verlaufende Mehrkanalelektrode – kann gleichzeitig verschiedene Faserbündel kontaktieren.): Bewusst in transverser (querer) Ausrichtung designt, kann sie daher mehrere Kontakte zu verschiedenen Axongruppen gleichzeitig herstellen.
• USEA (Utah Slanted Electrode ArrayPenetrierende Mikroelektroden-Anordnung mit 100 Kontaktstellen unterschiedlicher Länge, quer in den Nerv eingebracht.): Die invasivste intraneurale Elektrode – eine penetrierende Mikroelektroden-Anordnung mit 100 Kontaktstellen, quer eingebracht zur Steigerung von Selektivität und räumlicher Auflösung. Die große Zahl an Kontaktstellen erlaubt potenziell präzise Steuerung feiner motorischer Bewegungen.

Der enge Kontakt intraneuraler Elektroden ermöglicht hohe Selektivität und größere Signalamplituden, setzt den Nerv aber dem Risiko von Schäden aus. Der wichtigste begrenzende Faktor ist die Stabilität: Über die Zeit sinkt das SNR und höhere Stimulationsniveaus werden nötig.

LIFEs hatten kurzfristigen Erfolg bei sensorischem Feedback und dem Dekodieren von Griffstärke. Eine tf-LIFE im Menschen zeichnete über eine 4-Wochen-Studie stabile motorische Signale auf, nach 10 Tagen ließ die sensorische Stimulation jedoch nach. Neuere Arbeiten erreichten 11 Wochen Stabilität mit Closed-Loop-Feedback für Schlupf- und Greifkontrolle. Die TIME zeigt mehr Potenzial: selektive Stimulation und sensorisches Feedback, mit nachgewiesener Signalstabilität über 6 Monate bei drei transradialenAmputation unterhalb des Ellenbogens (durch den Unterarm). Amputierten. Bei Beinamputierten verbesserte sie Mobilität und Vertrauen – wichtig, weil diesen Personen Gleichgewicht und natürliches Gangbild fehlen.

Unter den intraneuralen Elektroden hat die USEA das größte Potenzial für hohe Selektivität. Zwei transradiale Amputierte mit implantierter USEA konnten einzelne Fingerbewegungen steuern und bis zu 131 sensorische Perzepte wahrnehmen. Eine USEA bei zwei weiteren transradialen Amputierten erreichte die unabhängige Steuerung von fünf Freiheitsgraden (DoF)Degrees of Freedom – Anzahl unabhängiger Bewegungsrichtungen, die gesteuert werden können (z. B. Beugen, Drehen).. USEAs verlieren über die Zeit tendenziell an Leistung, doch es gibt Belege für Stabilität und Funktion nach 14 Monaten. Sie müssen langfristige Stabilität nachweisen, bevor sie chronisch im Menschen akzeptiert werden.

Auch intraneurale Elektroden mildern Schmerzen nach Amputation: LIFEs zur sensorischen Rückkopplung lösten Phantomschmerz-Symptome auf, TIME-Stimulation verringerte Phantomschmerz, und eine USEA bei einem transradialen Amputierten zeigte langfristige Schmerzreduktion und prothetisches Embodiment.

Regenerative Elektroden

Regenerative Elektroden gelten als die invasivsten PNI mit der größten Anzahl an Axon-Kontakten. Klassisch sind sie so definiert, dass der Nerv durchtrennt werden muss, damit er um oder durch eine Elektrode nachwächst. Im Amputationskontext ist die Durchtrennung ohnehin Teil des Eingriffs – die Anbringung einer regenerativen Elektrode am durchtrennten Nervenende fügt also kaum zusätzliche Invasivität hinzu. Zudem beinhaltet die Behandlung von NeuromenSchmerzhafte, ungeordnete Nervenfaserknoten, die entstehen, wenn ein durchtrennter Nerv erfolglos nachzuwachsen versucht. nach Amputation typischerweise ohnehin eine chirurgische Entfernung.

Es gibt verschiedene Designs: Sieb-Elektroden (sieve), regenerative Multi-Elektroden-Arrays und Gerüst-Elektroden (scaffolding). Sie haben das Potenzial, das höchste Maß an Selektivität bei niedrigen Stimulationsschwellen zu bieten. Herausforderungen bestehen jedoch: Die durchtrennten Nervenfasern müssen korrekt und erfolgreich mit den Elektroden zusammenwachsen. Regenerative Elektroden zeigten stabile Aufzeichnung und Stimulation in Tiermodellen; die Sorge vor Schäden hat ihren Einsatz beim Menschen bislang verhindert.

3. Chirurgische Techniken

Periphere Nervenschnittstellen bieten vielversprechendes Potenzial, doch die meisten sind noch experimentell und müssen Hürden auf dem Weg zur klinischen Translation überwinden. Es wurden mehrere chirurgische Techniken entwickelt, um diese Grenzen zu überwinden und die Funktionalität der Schnittstelle zu verbessern – mit dem Ziel, hochauflösende Signale für die simultane Steuerung mehrerer Freiheitsgrade zu erzeugen.

Diese Verfahren bieten nicht nur alternative Steuerungsmethoden, sondern können auch schmerzhafte Neurome nach Amputation verhindern und behandeln. Nach einer Durchtrennung versucht ein peripherer Nerv nachzuwachsen, bis er ein Zielorgan findet, das er innervieren kann. Bei Amputationen fehlen verfügbare Zielstrukturen – der Nerv treibt unkontrolliert aus und bildet eine unvorhersehbare, übererregbare Fasermasse. Schätzungen zufolge erleiden mindestens 25 % der Amputierten schmerzhafte Neurome. Über 100 verschiedene Behandlungen wurden versucht, wobei 20–30 % der Fälle therapieresistent blieben.

Targeted Muscle Reinnervation (TMR)

TMR war eine der ersten etablierten chirurgischen Techniken und wurde ursprünglich zur Verbesserung myoelektrischer Systeme entwickelt. Herkömmliche myoelektrische Methoden erlauben typischerweise nur die Steuerung eines Freiheitsgrades zur Zeit und liefern weder sensorisches Feedback noch Behandlung neuropathischer Schmerzen. TMR leitet Reststumpfnerven der amputierten Gliedmaße zu anderen, denervierten Zielmuskeln um, die funktionell nicht benötigt oder redundant sind. Der ursprüngliche Nerv des Zielmuskels wird durchtrennt und der Spendernerv an den Eintrittspunkt des Zielmuskels angeschlossen.

Die denervierten Zielmuskeln verlieren ihre ursprüngliche Funktion und werden in biologische Verstärker umgewandelt, die die simultane motorische Steuerung mehrerer Freiheitsgrade ermöglichen. TMR kann sogar prothetische Bewegungen aus Muskeln liefern, die nicht mehr vorhanden sind.

Motorsteuerung

Anders als andere myoelektrische Systeme bietet TMR natürlichere Steuerung ohne unnatürliches Umschalten zwischen Codes und ohne den Bedarf an intakten distalen Muskeln. Beabsichtigte Bewegungen erzeugen EMG-Signale in den reinnervierten Muskeln, die gemessen und zur Prothesensteuerung genutzt werden. Probleme bestehen jedoch bei Oberflächenelektroden: Cross-Talk erzeugt verrauschte Signale, die Hautoberfläche ist begrenzt, und Hautbewegungen verschieben die Elektroden.

TMR wird am häufigsten bei transhumeralenAmputation oberhalb des Ellenbogens (durch den Oberarm). Amputierten und Schulterexartikulationen angewandt; jüngst auch bei transradialen Amputierten. An der oberen Extremität bietet TMR vier verschiedene Kontaktstellen, die jeweils von einem der großen peripheren Nerven reinnerviert werden. Beispiel transhumeraler Amputierter: Die native Innervation des langen Bizepskopfes und Trizeps bleibt intakt, während der kurze Bizepskopf vom Nervus medianusMittelarmnerv – steuert u. a. das Beugen von Hand und Fingern. und der laterale Trizepskopf vom distalen Nervus radialisSpeichennerv – steuert v. a. die Streckung von Hand und Fingern. reinnerviert werden. Die native Innervation steuert die Ellenbogenbeugung/-streckung, die neuen Reinnervationen die Hand-Öffnung/-Schließung.

Die Anzahl der Kontaktstellen ist durch die verfügbaren denervierten Zielmuskeln begrenzt. Da ein Nerventransfer die Reimplantation eines ganzen Nervs umfasst, sind nur 4–5 Funktionen möglich – komplexe Steuerung der intrinsischen Handmuskeln ist schwer erreichbar. Um die Zahl der Steuerungsmöglichkeiten zu erhöhen, wurden MustererkennungsalgorithmenPattern Recognition – Software, die ein Muster aus vielen Elektrodensignalen als eine vordefinierte Bewegung interpretiert. angewandt. Diese fühlen sich jedoch nicht so natürlich an wie direkte Steuerung: Bewegungen müssen sequenziell in spezifischen Mustern ausgeführt werden, und das Fehlen simultaner, proportionaler Steuerung wirkt langsam und unnatürlich.

Sensorisches Feedback

Eine sensorische Variante von TMR, die Targeted Sensory Reinnervation (TSR)Gezielte sensorische Reinnervation – durchtrennte Sinnesnerven werden zu Hautarealen geleitet, sodass deren Berührung als Empfindung der fehlenden Gliedmaße wahrgenommen wird., wurde als mögliche Lösung zur Wiederherstellung der Empfindung vorgeschlagen. Ähnlich wie TMR überträgt diese Methode durchtrennte sensorische Nerven zu Hautarealen, sodass der Amputierte eine übertragene Empfindung (referred sensation) der amputierten Gliedmaße erlebt, wenn das entsprechende Hautareal aktiviert wird.

TSR konnte in mehreren Studien Tastfeedback erzeugen, die Ergebnisse waren jedoch variabel. Probleme: Die reinnervierte Haut liegt über Muskeln, die zusätzliche EMG-Signale erzeugen (Rauschen, erschwerte Signaltrennung); es wird viel Hautoberfläche für Berührungs-Aktuatoren und EMG-Elektroden benötigt; motorische efferente Signale dominieren über afferente, was simultane Bewegung und Empfindung unmöglich macht. Erzeugtes Tastfeedback kann sich unnatürlich anfühlen, da der Betroffene anerkennen muss, dass die Empfindung von einem anderen Körperteil stammt.

Management symptomatischer Neurome

Obwohl TMR keinen signifikanten Erfolg bei der Wiederherstellung der Empfindung gezeigt hat, ist es eine der wirksamsten Methoden zur Behandlung symptomatischer Neurome. Der denervierte Zielmuskel bietet einem nachwachsenden Nerv ein Ziel, in das er natürlich einwachsen kann. Patienten mit Neuromschmerz nach TMR erlebten eine Auflösung oder Reduktion ihrer Schmerzen. TMR kann nicht nur sekundär, sondern auch präventiv zum Zeitpunkt der Amputation durchgeführt werden – Studien zeigen reduzierten Phantomschmerz und bessere Schmerzergebnisse. Eine multizentrische, randomisierte kontrollierte Studie zeigte, dass primäres TMR den Phantomschmerz verbesserte.

Chirurgische und prothetische Anwendung

TMR wird sowohl bei Arm- als auch Beinamputationen zur Neurombehandlung und -prävention eingesetzt. Zur Prothesensteuerung wurde es vor allem bei Armamputierten verwendet. TMR nutzt nicht-invasive elektrische Verbindungen über Oberflächenelektroden, was die Heimnutzung erlaubt – ein wichtiger Vorteil. Mit neuer Technik könnten Oberflächenelektroden bald durch implantierbare myoelektrische Sensoren ersetzt werden. Eine prospektive Studie mit drei transhumeralen Amputierten mit chronisch implantierten IMESImplantable MyoElectric Sensors – im Muskel implantierte Sensoren, die hochwertige EMG-Signale drahtlos liefern. (Implantable MyoElectric Sensors) zeigte deutlich verbesserte funktionelle Ergebnisse gegenüber Standard-Oberflächenelektroden. Das aktuelle IMES-Design ist jedoch nicht mit Osseointegration oder Schulterexartikulationen kompatibel und auf 6 Sensoren (max. 3 DoF) begrenzt.

Regenerative Peripheral Neural Interface (RPNI)

Das RPNI basiert auf denselben neurobiologischen Grundlagen wie TMR: Es nutzt einen durchtrennten peripheren Nerv oder ein Faszikel und implantiert ihn in ein autologes Muskeltransplantat (free muscle graft), das als biologischer Verstärker efferenter Signale dient. Das Neue am RPNI: Es verwendet freie Muskeltransplantate mit integrierten Elektroden zur Verbesserung der Spezifität und Reduktion von Cross-Talk – das ergibt hochwertige, isolierte EMG-Signale. RPNI erfordert keine Denervierung bestehender Muskeln und ist daher nicht auf eine begrenzte Zahl von Kontaktstellen beschränkt. Die Fähigkeit, mit mehreren Faszikeln zu verbinden, gibt RPNI das Potenzial, viele Freiheitsgrade zu steuern.

Motorsteuerung

RPNI wurde geschaffen, um die myoelektrischen Schnittstellenfähigkeiten zu erweitern und größere Signalspezifität bei chronischer Stabilität zu erreichen. In einer Pilotstudie erzeugten RPNIs bei Armamputierten große EMG-Signale mit hohem SNR und chronischer Stabilität über 10 Monate. Dies ermöglichte simultane Echtzeit-Steuerung von einem Finger-Freiheitsgrad und zwei Daumen-Freiheitsgraden sowie die Kontrolle fehlender intrinsischer Handmuskeln – RPNI war damit das erste PNI, das die Steuerung einzelner Fingerbewegungen demonstrierte. Diese Selektivität ist möglich, weil freie Muskeltransplantate genutzt werden und keine Abhängigkeit von verfügbarer Restmuskulatur besteht. Implantierbare Muskelelektroden liefern spezifische EMG-Signale mit minimalem Cross-Talk.

Sensorisches Feedback

Derzeit liegen keine veröffentlichten Daten zu RPNIs und der Wiederherstellung der Empfindung vor.

Management symptomatischer Neurome

RPNI ist eine neuartige Technik, die symptomatische Neurome verhindern und behandeln kann. Ähnlich wie TMR bietet es denervierte Zielmuskeln, in die nachwachsende Axone einwachsen können, was die Zahl verfügbarer Axone für die Neurombildung reduziert. Die erste Studie am Menschen (retrospektive Fallserie mit 16 Amputierten) zeigte eine 71%ige Reduktion des Neuromschmerzes und eine 53%ige Reduktion des Phantomschmerzes, verringerte Schmerzbeeinträchtigung, reduzierten Opioidkonsum und verbesserte Prothesennutzung. Eine spätere Studie zur prophylaktischen RPNI bei Amputation zeigte 0 % symptomatische Neurombildung (vs. 13 % in der Kontrollgruppe) und signifikant reduzierten Phantomschmerz.

Chirurgische Anwendung und Prothesenkompatibilität

RPNIs können zum Zeitpunkt der Amputation oder später in einer zweiten Operation angelegt werden, wobei die Elektrodenimplantation den Zeitpunkt bestimmen kann. Interessanterweise hatte eine Studie hypothetisiert, dass elektrische Stimulation die Revaskularisierung und Regeneration in freien Muskeltransplantaten beschleunigt – stattdessen zeigte sich, dass die Stimulation diese Prozesse stört. RPNI lässt sich theoretisch auf jede Amputationshöhe und jede Gliedmaße anwenden, da die freien Transplantate keine Restmuskeln benötigen. Bisher diente meist der Musculus vastus lateralisGroßer Muskel an der Außenseite des Oberschenkels – häufiger Spender für freie Muskeltransplantate. als Spendermuskel; kleinere Transplantate zeigten in Rattenmodellen bessere Signalproduktion. RPNI ist relativ einfach (keine Mikrochirurgie nötig) und wahrscheinlich über mehrere chirurgische Fachgebiete hinweg umsetzbar. Hürden: implantierbare Elektroden mit perkutaner Verdrahtung bergen Risiken für Infektion, Bruch und Verbindungsstörung; für die Heimnutzung sind Oberflächenelektroden, drahtloses IMES oder eine Kombination mit Osseointegration nötig.

Agonist-Antagonist-Myoneurales Interface (AMI)

Das AMI ist die neueste chirurgische PNI-Innovation – ein Amputationsmodell, das darauf ausgelegt ist, propriozeptives Feedback und Gelenksteuerung zu ergänzen. Agonist-Antagonist-MuskelpaareGegenspieler-Muskelpaare: Wenn der eine sich zusammenzieht (Agonist), wird der andere gedehnt (Antagonist) – z. B. Bizeps und Trizeps. in der Reststumpf-Gliedmaße werden chirurgisch in Serie gekoppelt, sodass die Kontraktion des einen den anderen dehnt. Die Aktivierung von MechanorezeptorenSinneszellen, die mechanische Reize wie Dehnung, Druck oder Bewegung in Nervensignale umwandeln. in diesen Muskeln erzeugt propriozeptive Signale, die dem zentralen Nervensystem Informationen über die Gelenkbewegung liefern. Ein AMI-Konstrukt entspricht einem Freiheitsgrad; die Steuerung einer Prothese mit zwei Gelenken erfordert zwei AMIs.

Motorsteuerung

Das AMI nutzt native SpindelfasernMuskelspindeln – Dehnungssensoren im Muskel, die Länge und Längenänderung melden. und Golgi-SehnenorganeSensoren in den Sehnen, die die Muskelspannung (Kraft) messen. in gepaarten Muskeln, um sowohl Motorsteuerung als auch propriozeptives Feedback wiederherzustellen. Frühe Daten deuten darauf hin, dass das AMI hochauflösende efferente Signale erzeugen, Reflexbögen integrieren und Inaktivitätsatrophie (disuse atrophy)Muskelschwund infolge mangelnder Nutzung. verhindern kann. Verglichen mit vier herkömmlichen Amputierten zeigte ein AMI-Patient natürliche reflexive Verhaltensweisen und verbesserte Prothesensteuerung – propriozeptives Feedback stellt also nicht nur die Empfindung wieder her, sondern verbessert auch Gelenk- und Prothesenkontrolle.

Sensorisches Feedback

Die vielversprechendste Anwendung des AMI ist die Wiederherstellung der PropriozeptionTiefensensibilität – die Wahrnehmung von Position und Bewegung der eigenen Körperteile, ohne hinzusehen.. Andere Schnittstellen (z. B. Cuff-Elektrode) haben natürliches propriozeptives Feedback nicht erfolgreich integriert, was am komplexen Zusammenspiel von Mechanorezeptoren in Haut, Muskeln und Gelenken liegt. Propriozeption ist eine einzigartige Empfindung, derer wir uns nicht bewusst sind: Sie erlaubt uns, ohne visuellen Input zu wissen, wo unser Körper im Raum ist, und trägt zum Embodiment-Gefühl bei, das unsere Gliedmaßen als Teil von „uns" erscheinen lässt. Beim Menschen demonstrierte das AMI eine Closed-Loop-Drehmomentsteuerung des Gelenks, und funktionelle Bildgebung zeigte propriozeptive Aktivität ähnlich der von Nicht-Amputierten. Obwohl das AMI keine natürlichen Tastempfindungen auslöst, ist die Fähigkeit zur Propriozeption ebenso wichtig.

Management symptomatischer Neurome

Es gibt nur minimale Literatur zum AMI hinsichtlich Neurome und Schmerzen. Anders als TMR und RPNI wurde das AMI nicht auf Basis von Amputationsneuromen entwickelt. In der ersten Pilotstudie berichtete keiner der drei Patienten postoperativ über Phantom- oder kutane Schmerzen – die Autoren führen dies allerdings auf gleichzeitig angelegte RPNIs zurück. Es ist denkbar, dass der Erhalt nativer neuromuskulärer Beziehungen zur Schmerzreduktion beiträgt.

Chirurgische Anwendung und Prothesenkompatibilität

Das AMI ist der komplexeste und technisch anspruchsvollste Ansatz. Er erfordert eine umfangreiche Operation (oder mehrere), längeren Krankenhausaufenthalt und Erholungszeit sowie einen Chirurgen, der einen solchen fortgeschrittenen Eingriff durchführen kann. Bislang wurde das AMI nur bei Menschen mit primärer Unterschenkelamputation (BKA)Below-Knee Amputation – Amputation unterhalb des Knies. eingesetzt. Regenerative AMIs als sekundäre Revisionsoperation wurden ebenfalls erkundet: In einem ersten Schritt werden geeignete Faszikel gesichert, im zweiten Schritt werden Beuger- und Strecker-Transplantate funktionell zusammengekoppelt. Modelle für Oberschenkelamputationen (AKA)Above-Knee Amputation – Amputation oberhalb des Knies. wurden im Tier geschaffen. Für Armamputationen gibt es keine Daten; wegen der Komplexität müsste das AMI dort wohl mit TMR und/oder RPNI kombiniert werden. Derzeit nutzen Studien temporäre Drahtelektroden (außerhalb des Labors nicht einsetzbar) – für die klinische Nutzung wären Oberflächen- oder implantierbare Muskelelektroden nötig. Das AMI ist die einzige Technik, die speziell darauf ausgelegt ist, den natürlichen Gangzyklus nachzuahmen.

Osseointegration (OI) / Osseointegrated Neural Interface (ONI)

Osseointegration ist die direkte skelettale Verankerung eines Metallimplantats im Knochen. Ursprünglich in der Zahnmedizin (Zahnimplantate) erfolgreich, wurde sie auf Extremitätenprothesen ausgeweitet, um die Probleme schaftbasierter (socket-based) Prothesen zu lösen. Im Gegensatz zu Schaftprothesen bietet OI zuverlässige mechanische Stabilität, physiologische Lastübertragung und einen vergrößerten Bewegungsumfang (ROM)Range of Motion – der mögliche Bewegungsbereich eines Gelenks. – das erleichtert die Nutzung und fördert den dauerhaften Prothesengebrauch.

Die Prinzipien der OI, kombiniert mit Konzepten der Nervenregeneration, führten zum Osseointegrated Neural Interface (ONI). Es basiert auf der Idee, dass der Markkanal (intramedullary canal)Der innere Hohlraum eines Röhrenknochens, der das Knochenmark enthält. eine stabile, geschützte Umgebung für die Nervenregeneration bietet. Das Verlagern von Nerven in Knochen ist seit fast acht Jahrzehnten als Neurombehandlung bekannt; das ONI geht einen Schritt weiter und nutzt die Markumgebung zur Stabilität invasiverer Elektroden. Wie TMR und RPNI wurzelt das ONI in der Neurombehandlung, seine Anwendung zur Prothesensteuerung bleibt experimentell.

Motorsteuerung

Das ONI wurde noch nicht am Menschen evaluiert, aber Tiermodelle sind vielversprechend: Ein Kaninchenmodell mit intramedullärer Cuff-Elektrode zeigte Nervenregeneration mit der Fähigkeit, über 3 Monate efferente und afferente Signale zu erzeugen. Übertragen auf invasivere Elektroden könnte das ONI bidirektionale High-Fidelity-Steuerung bieten. Der durch OI vergrößerte Bewegungsumfang könnte die Funktionalität weiter steigern.

Sensorisches Feedback

Osseointegration kann allein durch die mechanische Stimulation einer knochenverankerten Prothese Empfindungen erzeugen – genannt OsseoperzeptionWahrnehmung von Reizen (z. B. Vibration) über eine knochenverankerte Prothese, vermittelt durch mechanische Übertragung in den Knochen.. Die zugrunde liegenden Mechanismen sind noch unklar. Subjektiv wird Osseoperzeption als verbesserte Umgebungswahrnehmung mit gesteigertem Prothesenbewusstsein beschrieben; OI-Nutzer zeigen erhöhte Vibrationsempfindlichkeit. OI ist mit besseren patientenberichteten Ergebnissen, höherer Lebensqualität und gesteigerter Mobilität verbunden. Allerdings reicht die Osseoperzeption nicht aus, um Greifverhalten und Motorkoordination wiederherzustellen, da der einzelne Verankerungspunkt die verfügbaren Stimulationspunkte begrenzt. Eine Studie zeigte jedoch, dass ergänzendes Tastfeedback über einen einzigen Kanal gleichzeitig übertragen werden kann. Zudem verbessert auch das Hören die Empfindung bei OI-Nutzern – die Kombination von Tastfeedback und Hören wirkt additiv. Über die im Markkanal sitzenden Nervenelektroden könnte das ONI zusätzlich Empfindung wiederherstellen.

Management symptomatischer Neurome

Das Originaldesign des ONI basierte auf der Nutzung des Markkanals zur Neuromprävention: Die Markhöhle bietet eine isolierte Umgebung, die einen regenerierenden Nerv davon abhält, fälschlicherweise Muskeln und Haut zu innervieren – Schmerzen werden verhindert, indem Axone in eine Umgebung gelegt werden, die Regeneration auf Elektrodenstellen beschränkt statt auf problematische Bereiche wie Haut.

Chirurgische Anwendung und Prothesenkompatibilität

OI kann ein- oder zweistufig durchgeführt werden; es gibt noch kein standardisiertes Protokoll. OI wird in Europa und Australien seit Jahrzehnten eingesetzt, wurde in den USA aber erst kürzlich von der FDA über eine „humanitarian use device exemption" zugelassen. Größte Sorge bei OI-Implantaten ist die Infektion; die meisten Infektionen sind oberflächlich und mit Antibiotika behandelbar. Das OsteomyelitisKnocheninfektion bzw. Knochenmarkentzündung.-Risiko liegt bei etwa 10 %. Eine prospektive Studie mit 51 Patienten zeigte über 5 Jahre eine kumulative Implantat-Überlebensrate von 92 % und eine revisionsfreie Überlebensrate von 45 %. Insgesamt hat das ONI das Potenzial, in einem Eingriff Funktionalität zu verbessern, eine Nervenschnittstelle zu integrieren und neuropathische Schmerzen zu verhindern.

4. Kontrollmethoden

Ein System für naturalistische, intuitive Prothesensteuerung hängt nicht nur vom Schnittstellendesign ab. Es erfordert Kontrollmethoden mit Algorithmen, die extrahierte EMG-Signale interpretieren, um beabsichtigte Haltungen und Bewegungen vorherzusagen. Nicht-invasive Strategien können ausgefeilte Steuerung bieten, wenn die Signalselektivität wegen Cross-Talk von Oberflächenelektroden gering ist oder wenn invasive Elektroden instabil sind.

Myoelektrische Steuerungsoptionen

Konventionelle Steuerung (direkte Steuerung)

Die einfachste und häufigste Methode ist die konventionelle bzw. direkte Steuerung: Zwei EMG-Signale eines Muskelpaares steuern einen Freiheitsgrad. Die Steuerung von mehr als einem DoF erfordert einen Modus-Wechsel durch Ko-Kontraktion des Muskelpaares – kognitiv anstrengend und mit steigender Komplexität schwierig. Sie nutzt meist Oberflächenelektroden (begrenzt durch Cross-Talk). Für simultane Steuerung von mehr als einem DoF braucht man mindestens vier Kontaktstellen mit minimalem Cross-Talk – bei vielen Armamputierten nicht möglich, es sei denn mit TMR oder RPNI. Diese Steuerung fühlt sich unnatürlich an und ist oft auf einfache Bewegungen beschränkt.

Mustererkennungsalgorithmen (Pattern Recognition)

Zur Verbesserung der direkten Steuerung wurden Mustererkennungsalgorithmen entwickelt: Diese identifizieren ein Signalmuster mehrerer Elektroden und interpretieren es als vordefinierte Bewegung. Besonders wertvoll für höhere Amputationen, da sie trotz fehlender Restgelenke die DoF erhöhen können. Nachteile: keine simultane Steuerung mehrerer Bewegungen (nur sequenziell), intensive Trainingseinheiten nötig, kognitiv anspruchsvoll, und Änderungen der Bewegungen können die Leistung verschlechtern. Die Übertragung von Offline- auf Online-Echtzeitleistung mit Feedback ist unsicher. Dennoch demonstrierte eine Heim-Studie mit transhumeralen Amputierten verbesserte Leistung. Ergänzende Strategien (Daten zur Gelenkposition, Reduktion von Klassifikationsfehlern) können helfen.

Regressionsbasierte Algorithmen

Eine mögliche Lösung für simultane und proportionale Steuerung ist die regressionsbasierte Steuerung. Dieser Algorithmus erlaubt die gleichzeitige Klassifikation mehrerer DoF durch Schätzung verschiedener EMG-Signale – intuitive Steuerung mehrerer DoF gleichzeitig. Beispiel: gleichzeitiges Strecken des Ellenbogens und Drehen des Handgelenks. Im Vergleich zu konventioneller und Mustererkennungssteuerung zeigte sie verbesserte Leistung mit unabhängiger Bewegungssteuerung und natürlicherem Gefühl. Wie bei Mustererkennung erschweren Unterschiede zwischen Trainings- und Realumgebung den Einsatz außerhalb des Labors. Eine 8-wöchige Heim-Studie zeigte erfolgreiche Alltagsanwendung mit besserer Leistung als konventionelle Steuerung.

ENG-Signalverstärkung und -verarbeitung

Wie EMG-basierte Methoden können auch ENG-Signale für Prothesen analysiert werden. Diese Methoden adressieren Probleme der EMG-Steuerung wie Muskelermüdung, Stimulation umliegender Gewebe und Desensibilisierung. Die direkte Verbindung mit Nervenelektroden hilft bei der Signalspezifität, hat aber eigene Hürden bei Biokompatibilität und Gewebeschäden durch Invasivität.

Aufzeichnung

ENG-Signale werden je nach Invasivität unterschiedlich aufgezeichnet: Extraneurale Elektroden (Cuff) erfassen eine Signalpopulation des gesamten Nervs, während intraneurale Elektroden eindringen und Spike-Aktivität einzelner Axone aufzeichnen. Die rohen ENG-Signale haben ein geringes SNR und werden durch umliegende Muskeln, Mikrobewegung und benachbarte Axone beeinträchtigt. Daher sind Vorverarbeitungsschritte nötig: Wavelet-DenoisingMathematisches Verfahren zur Rauschunterdrückung von Signalen mithilfe von Wavelet-Transformationen., verschiedene Filter, Dimensionsreduktion oder Komponentenanalyse – rechenintensiv. Bei intraneuralen Elektroden werden neuronale Spikes aufgezeichnet und mit Spike-Sorting-AlgorithmenVerfahren, die aufgezeichnete neuronale Impulse einzelnen Neuronen zuordnen. verarbeitet. Beim Menschen wurde ENG-Dekodierung von Handbewegungen erfolgreich demonstriert (mit tf-LIFEs, USEAs und TIME für 11 verschiedene Greifpositionen). Die Immunreaktion auf implantierte Elektroden begünstigt über die Zeit FibroseÜbermäßige Bildung von Bindegewebe (Narbengewebe) als Reaktion auf einen Reiz., was zu elektrischer Impedanz und Aufzeichnungsschwierigkeiten führt.

Stimulation

Die Wiederherstellung sensorischen Feedbacks durch Stimulation ist wegen der Komplexität des somatosensorischen Systems schwierig. Sensorische Axone übertreffen motorische um mindestens 10:1. Anders als bei der Motorsteuerung, wo eine konstante Feuerrate eine Bewegung erzeugt, erfordert Stimulation für Empfindung die Interpretation von Signalen aus vielen verschiedenen Rezeptoren. Es ist das differenzielle Feuern zwischen diesen Fasern, das natürliche Berührung auslöst – konstantes Feuern erzeugt eine sehr unnatürliche Empfindung.

Die stimulierten Empfindungen müssen den räumlichen und zeitlichen Charakteristika einer intakten Gliedmaße ähneln. Neuromodulation über Pulsform und Frequenz kann Qualität bzw. Intensität bestimmen. BiomimetischeDer Natur nachempfunden – hier: Stimulationsmuster, die das natürliche Verhalten von Nervenfasern nachahmen. Kodierungsstrategien können natürliche Empfindungen erzeugen, Phantomschmerz reduzieren und das Embodiment verbessern. Sicherheitsbedenken bei elektrischer Stimulation betreffen BiostabilitätFähigkeit eines Implantats, im Körper über die Zeit stabil und unverändert zu bleiben. und akzeptable Stimulationsparameter. Verschiedene sensorische Fasertypen haben jeweils eine eigene Fähigkeit, elektrischer Stimulation standzuhalten. Extraneurale Elektroden zeigen derzeit überlegene Stabilität gegenüber intraneuralen. Computermodellierung der Kontakte hilft, spezifische sensorische Qualitäten ohne Gewebeschäden zu isolieren – dieses sensorische Feedback schließt den Regelkreis und liefert zugleich Informationen für Motor-Dekodierungsalgorithmen.

5. Prothesentechnologie

Alle bislang besprochenen Elektroden, chirurgischen Techniken und Kontrollmethoden zielen auf eine biokompatible, Closed-Loop-Schnittstelle mit bidirektionaler Signalübertragung. Diese Entwicklungen haben die Funktionalität verbessert, lösen aber nicht alle Usability-Probleme – diese hängen vom Prothesengerät selbst ab: Verfügbarkeit, Fähigkeit, Schaftpassform, Haltbarkeit und Kosten sind entscheidend für den täglichen Einsatz.

Vollständig implantierbares System

Für ein praktisches Prothesensystem darf es keine äußeren Drähte durch die Haut geben, da diese anfällig für Bruch und Infektion sind (auf das Labor beschränkt). Invasivere Elektroden verbessern zwar die Signalübertragung, erfordern aber perkutane Drahtelektroden. Lösungen: drahtlose Signalübertragung oder osseointegriertes Implantat. Ein zuverlässiges, drahtloses Kommunikationssystem mit erhaltener Signalstärke ist anspruchsvoll – es erfordert effiziente, sicher gekapselte Elektronik mit Energiemanagement ohne größere Hardware. Das erfolgreichste drahtlose Design ist bislang das IMES-System mit implantierbaren Sensoren im Reststumpf, das in klinischen Studien mit TMR-Patienten zuverlässig funktionierte. Andere Designs erkunden Magnetkügelchen und implantierbare Kapseln. Osseointegration bietet eine Lösung für die externe perkutane Verdrahtung, die keine drahtlose Kommunikation erfordert: Die Verdrahtung im OI-Implantat ist vor den Problemen externer Verdrahtung geschützt.

Echtzeit- vs. Offline-Leistung

Es gibt viele Anforderungen an die Signalverarbeitung, die den Einsatz myoelektrischer Prothesen außerhalb des Labors erschweren. Das Labor ist eine kontrollierte, vorhersehbare Umgebung, die unvorhersehbare Alltagsbewegungen nicht simuliert. Mangelnde Zuverlässigkeit und ungewollte Bewegungen schaffen gefährliche Situationen. Während die Offline-Leistung erfolgreich erscheint, wird sie mit passiver Datensammlung und Klassifikationsgenauigkeit gemessen. Auch bei hoher Klassifikationsgenauigkeit kann die Aufgabenerfüllung im Echtzeitbetrieb bis zu 30 % niedriger sein. Klassifikationsgenauigkeit korreliert also nicht zwangsläufig mit funktionellen Echtzeitergebnissen – Online-Leistungstests sind für eine genaue Bewertung essenziell. Bei langfristigem Üben werden EMG-Muster leichter wiederholbar und anpassbar.

Die Bewertungsmetriken sind oft willkürlich, was den Vergleich zwischen Studien erschwert. Ohne standardisierte Kriterien ist schwer objektiv zu bestimmen, wie „selektiv" eine Schnittstelle ist. Vergleichende Studien mit standardisierten Ergebnismessungen sind nötig – inklusive systematischer Bewertung von Fortschritt, funktionellen Ergebnissen und Lebensqualität.

Trainingssysteme

Trotz immer ausgefeilterer KI-Algorithmen bleibt das Nutzertraining ein kritischer Bestandteil des funktionellen Erfolgs. Standard-Rehabilitationsprogramme konzentrieren sich auf Muskelkraft und Koordination – sie sind mental und körperlich anstrengend und erfordern langfristiges Engagement. Schwierig wird es, wenn kein Coach/Therapeut mehr zur Motivation vorhanden ist. Um Motivation und Teilnahme zu erhöhen, wurden alternative gamifizierteSpielbasierte Gestaltung von Aufgaben, um Motivation und Engagement zu erhöhen. Trainingssysteme entwickelt: Computerspiele, Virtual RealityComputergenerierte, immersive virtuelle Umgebung. und Augmented RealityErweiterte Realität – Einblendung digitaler Inhalte in die reale Umgebung.. Diese verbessern Engagement und bieten ein erschwinglicheres Heimtraining.

Diese Programme helfen auch bei der Neuverdrahtung (Remapping) des somatosensorischen Kortex nach Amputation. Veränderungen der kortikalen Organisation tragen zu Phantomschmerz bei und behindern die Prothesennutzung. Während der motorische Kortex sich neu organisieren kann, scheint der sensorische Kortex zeitlebens relativ fixiert zu bleiben – Studien zeigen visuo-taktile Diskrepanzen, die sich nicht auflösen. Dennoch zeigen Rehabilitationsprogramme positive neuronale Plastizität mit reduziertem Phantomschmerz und verbesserter Funktion. Trotzdem adressieren diese alternativen Methoden eine Hauptursache des Prothesenverzichts: mangelnde Motivation und fehlende Bereitschaft zur Rehabilitation.

Kommerzielle Geräte

Die Funktion wird weitgehend vom tatsächlichen Prothesengerät bestimmt, und die Entscheidung für eine bionische Gliedmaße hängt v. a. von Erschwinglichkeit und Verfügbarkeit ab. Obwohl bionische Hände noch nicht die Geschicklichkeit natürlicher Finger erreichen, können sie Alltagsaktivitäten ausführen. Kosten: Unterarmgeräte (unterhalb des Ellenbogens) 8.000–60.000 USD; Geräte oberhalb des Ellenbogens 50.000 bis über 100.000 USD. Für die untere Extremität gibt es weniger Marktoptionen, zu ähnlichen Kosten. Wegen begrenzter Verfügbarkeit müssen Betroffene oft Komponenten verschiedener Firmen kombinieren. Es fehlt an Kommunikation zwischen Geräte-Designern und Prothesen-Steuerung. Zur Linderung hat die University of Michigan eine Open-Source-Initiative für bionische Gliedmaßen entwickelt (opensourceleg.com). Eine marktfähigere Lösung würde Verfügbarkeit und Kostensenkung durch Wettbewerb verbessern.

Prothesen-Embodiment / Empfindung

Die Nutzung einer Prothese hängt nicht nur von Verfügbarkeit und Funktionalität ab, sondern v. a. von den Wünschen und Zielen des Einzelnen – verbunden mit Beruf, Hobbys oder dem Funktionsniveau vor der Amputation. Begleiterkrankungen können invasivere Optionen einschränken. Das Gespräch über realistische Ziele sollte früh stattfinden, um Erwartungen abzustimmen.

Eine Umfrage fand, dass verbesserte Geschicklichkeit, Haltbarkeit und Empfindung die wichtigsten Qualitäten für Amputierte sind. Häufigste Bedenken: Kosten, Haltbarkeit, Invasivität der Chirurgie und Bedienbarkeit. Die Verbesserung der Empfindung ist ein zentrales Forschungsfeld: Sensorik verbessert Kontrolle, Anpassungsfähigkeit und Embodiment. Prothesenverzichtsraten liegen bei 24–44 %, wobei fehlende Sensorik ein wesentlicher Faktor ist. Wenn jemand seine Prothese nicht als Teil seines Körpers fühlt, fördert das den Verzicht. Fehlende Empfindung setzt Nutzer und Gerät zudem Schadensrisiken aus. Wird Empfindung wiederhergestellt, verbessern sich auch psychosoziale Faktoren wie soziale Interaktion, Selbstgefühl und Lebensqualität.

Nach der Entscheidung für eine Prothese folgt Rehabilitation und Geräteeinbindung durch ein großes multidisziplinäres Team: Wundversorgung, medizinisches Management, Ergotherapeuten, Physiotherapeuten und Prothetiker. Frühe Rehabilitation maximiert die Funktionalität und ist mit höherer Patientenzufriedenheit verbunden – oft lange bevor jemand überhaupt mit einer Prothese versorgt wird.

6. Diskussion

In den letzten Jahrzehnten wurden in der Neuroprothetik beachtliche Fortschritte erzielt. Eine vollständig integrierte, bidirektionale Prothese liegt nun im Bereich des Möglichen. Obwohl die Technologie diese Verbesserungen ermöglicht, gibt es Hindernisse in der Branche, die die Übertragung technischer Ideen in die kommerzielle Welt erschweren. Einer der größten limitierenden Faktoren: Kein einzelnes PNI kann allein alle Funktionen einer vollwertigen Prothese erfüllen.

Einzeln betrachtet haben die Schnittstellen jeweils einen Aspekt verbessert:

• Extraneurale Elektroden – chronische Langzeitstabilität.
• Intraneurale Elektroden – vielversprechende Lösung für High-Fidelity-Signale.
• Nervenelektroden – Wiederherstellung sensorischen Feedbacks, wodurch Motorsteuerung, Objektmanipulation und Kraftsteuerung verbessert werden. (Wiederholter Motor-Input mit visuellem Feedback allein kann die sensorischen kortikalen Karten nicht anpassen – direkte Stimulation des Nervensystems kann Tastsinn wiederherstellen, Propriozeption ist aber deutlich schwieriger.)
• TMR – Bewegung für fehlende Muskeln mit DoF.
• RPNI – Motorsteuerung selektiv genug für intrinsische Handmuskeln.
• Osseointegration – bessere mechanische Stabilität und vergrößerter ROM.
• ONI – Potenzial für High-Fidelity-Signale über regenerative Elektroden im Markkanal.
• AMI – verbessert zwar nicht direkt Motorsteuerung oder Neurome, ist aber das erste PNI, das Propriozeption wiederherstellt.
• Alle chirurgischen Techniken sind zudem Behandlungsoptionen für Schmerzen und Neurome nach Amputation.

Erfreulicherweise gibt es bereits erste gemeinsame Bemühungen. Beispiele für synergetische Kombinationen:

• TMR mit neuralen und muskulären Elektroden bei Armamputierten → bidirektionale Kommunikation und verbesserte somatosensorische Steuerung.
• Osseointegration → vergrößerter ROM und prothetisches Embodiment.
• Kombination von TMR und RPNI → nutzt die Vorteile beider Designs.
• Das AMI selbst stützt sich auf die Integration anderer PNI-Designs (TMR und/oder RPNI für Motorsteuerung und Neurombehandlung).
• Das ONI nutzt Nervenregeneration und Markkanal-Umgebung mit regenerativen Elektroden.

Derzeit ist keine dieser Technologien geeignet, die Bedürfnisse der breiteren Amputierten-Gemeinschaft zu erfüllen. Wenn diese Technologien in klinische Studien übergehen (wie TMR und RPNI bereits, zumindest zur Neurombehandlung), müssen sie zudem alle regulatorischen Anforderungen erfüllen – in den USA über die FDA (Code of Federal Regulations, Title 21, 800-Serie).

In den meisten Fällen wurden diese Geräte bei Menschen implementiert, die bereits mit einer Amputation leben und wegen neuropathischer/Phantomschmerzen zur Behandlung zurückkehren – dann wird im Rahmen eines ohnehin nötigen Sekundäreingriffs eine Schnittstelle implantiert. Manche Techniken (TMR, RPNI) werden jedoch prophylaktisch zum Zeitpunkt der Amputation durchgeführt. Die zunehmende Verbreitung der Osseointegration hat ermöglicht, einen ehemals zweistufigen Eingriff zu einem einstufigen zu reduzieren. Aus Sicht der sensorischen Wiederherstellung gibt es bislang keine Technologie, die chronische Empfindung ohne Implantation einer Elektrode wiederherstellt.

Beim aktuellen Stand gibt es theoretisch zahllose einzigartige PNI-Kombinationen, die auf die Bedürfnisse eines Einzelnen zugeschnitten werden können. Beispiel: Ein Beinamputierter, der wieder wandern möchte, könnte TMR oder RPNI, AMI, OI und eine FINE-Elektrode kombinieren, um anspruchsvolle Motorik, Propriozeption, vergrößerten ROM und Tastfeedback zu erhalten. Hat ein Schaftprothesen-Nutzer bereits TMR durchlaufen und sucht weitere Verbesserung, kann das ONI als Revisionseingriff mit OI-Implantat durchgeführt werden. Wer keine Prothese will, aber optimale Schmerzkontrolle sucht, hat mit TMR, RPNI und ONI mehrere Optionen.

7. Schlussfolgerung

Dieses Review fasst die aktuelle Landschaft der peripheren Nervenschnittstellen und die Fortschritte in der Prothetik zusammen. Während die technologischen Fortschritte bemerkenswert sind, wird ihr Einsatz stark eingeschränkt durch mangelnde Marktverfügbarkeit, fehlende Heimnutzbarkeit und fehlende Sensorik. Zudem war der Fortschritt nicht koordiniert, was die Fähigkeit eingeschränkt hat, die Bedürfnisse der Patienten zu erfüllen und ihre Lebensqualität zu optimieren.

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