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Mitteilungen des Dekans - Dienstag, den 9 Juni 2020

„EmberArm“, die lernwillige Prothese - Entwicklung der Medizinischen und Technischen Fakultäten der Universität von Pécs

Die Forscher der Medizinischen Fakultät der Universität Pécs arbeiten im PTE 3D Zentrum an einer „selbslernenden“ Prothese, die durch künstliche Intelligenz gesteuert wird. Die Prothese der oberen Gliedmaßen wird mit der Unterstützung von Corvus-Med GmbH gemeinsam entwickelt. Sie erwirbt die charakteristischen Gesten und Bewegungen ihren Tragenden durch einen integrierten Lernsystem, und hoffentlich wird sie in der Zukunft mit der Finanzierung der AOK auch die am meisten Bedürftigen erreichen. Wir haben uns das Prototyp angeschaut.

 

Verfasst von Stemler Miklós

 

Den Ball fangen, Deckel abschrauben, Socken anziehen – für die meisten unbewussten Routineübungen, nicht so wie für diejenigen, die wegen einen Unfall, Krankheit oder Geburtsfehler ihren Unterarm verloren haben. Dies betrifft weltweit 500 Tausend Menschen, und diese Nummer steigt sehr rasch, da es neben Unfälle ein Resultat der alternden Bevölkerung betreffenden Krankheiten (Infektionen, Krebstumoren, Gefäßverengung) ist.

Vom Holzarm bis zur durch künstlichen Intelligenz gesteuerten Gliedmaßen

Die schnell entwickelnden Gliedmaßenprothesen ersetzen sehr hilfreich den fehlenden Körperteil, aber eben die modernsten Modelle haben sämtliche Beschränkungen: die Benutzung kann man schwierig erwerben, sie können die feinmotorische Bewegungen nicht immer imitieren, und ihr langes Tragen ist ziemlich anstrengend.

Im 3D-Zentrum der Universität Pécs werden seit Jahren Prothesen für Gliedmaßen entwickelt, und die Zusammenarbeit des Zentrums mit Corvus-Med GmbH., ein wichtiger Marktteilnehmer bei der Herstellung medizinischer Hilfsmittel, hat diesen einen großen Schub verliehen. Durch die in 2019 gegründete Zusammenarbeit, die nach mehreren Jahren zurückblickt, wurde das theoretische Wissen der medizinischen Forschergrupp der Universität Pécs durch die praktische Erfahrung des Unternehmens bereichert, das seit mehr als einem Jahrzehnt auf dem Markt ist. Das erste Ergebnis ist der „Ember Arm“.

Künstliche Gliedmaßen wurden in den letzten Jahrzehnten enorm umgestaltet. Neben den immer mehr ausgefeilten kosmetischen Prothesen gibt es seit einiger Zeit auch funktionelle Prothesen, die die Funktionalität der verlorenen Gliedmaßen auf verschiedenen Ebenen und auf unterschiedliche Weise ersetzen können. Neben einfachen mechanischen Lösungen, die nur die Hand öffnen und schließen können, werden bereits auch sogenannte myoelektrische Prothesen verwendet, die über elektrische Signale arbeiten, die von menschlichen Muskeln erzeugt werden.

Als Csaba Csóka, Geschäftsführer der Corvus-Med GmbH. und Koordinator der Entwicklung erklärt, es ist möglich, dass Muskelgruppen nach der Amputation und bei Entwicklungsstörungen verbleiben und wenn die für die Prothese benötigten Elektroden an der richtigen Stelle platziert werden, wird das durch die Muskelkontraktion erzeugte elektrische Signal auf die Prothese übertragen. Eine solche sogenannte bionische Prothese kann noch feinere Bewegungen ausführen, weist jedoch immer noch schwerwiegende Einschränkungen auf: das Erlernen dauert lange und die Feinabstimmung ist schwierig. „Die meisten derzeit erhältlichen Prothesen für Gliedmaßen werden mit einem festgelegten Paket geliefert: sie können beispielsweise 30 gängige Bewegungsarten ausführen und diese Reihe kann nicht erweitert werden“, sagt Dr. Luca Tóth, medizinische Beraterin des Projekts. Die Forschergruppe in Péc hat dagegen eine andere Perspektive.

"Während der Benutzer normalerweise die Funktionsweise der Prothese beherrschen muss, haben wir diesen Prozess geändert und gesagt: Was wäre, wenn die Prothese die Bewegungen des Benutzers lernen und sich bei Bedarf ständig anpassen würde?" - sagt Dr. Ádám Schiffer, außerordentlicher Professor an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften und Informatik der Universität Pécs und Koordinator der Entwicklung von Prothesensoftware. Eine künstliche Intelligenz, das heißt ein Lernsystem, ist dafür verantwortlich, wodurch die Aktivität der Muskeln des Benutzers überwacht werden. Obwohl wir vielleicht sogar an Supercomputer denken, wenn wir den Ausdruck künstliche Intelligenz hören, verfügt der Rapsberry Pi, der einige Zehntausend Forint kostet, auch über die für die Aufgabe erforderliche Rechenkapazität, und ein solcher Minicomputer wird ebenfalls im Gerät installiert, das Dhakshinamurthy Devaraj, das die Prototypenentwicklung leitet.

Mit Hilfe der virtuellen Realität bis zur nützlichen künstlichen Gliedmaßen

Die anpassbare Prothese kann mit einer Applikation und einem darauf platzierten Bildschirm gesteuert und feinabgestimmt werden, und ihre Verwendung kann mit Hilfe der virtuellen Realität oder auch mit Hilfe verschiedener Spiele geübt werden. All dies kann besonders hilfreich für Kinder sein, die laut einer Umfrage eine bereits hohe Rate an „Prothesenabbrüchen“ von 35 Prozent aufweisen, das heißt für diejenigen, die ihr künstliches Glied so unangenehm, umständlich und nutzlos finden, dass sie es aufgeben.

Dies gilt auch für ein Viertel der erwachsenen Benutzer. Laut der medizinischen Beraterin des Projekts, Dr. Luca Tóth diese Proportionen können in der Realität sogar noch schlechter sein, einfach, weil die überwiegende Mehrheit der Benutzer mit dem Wissen über ihre Prothese unzufrieden ist und ihre regelmäßige Verwendung anstrengend findet. Daher ist es wichtig, dass die in Pécs entwickelte Prothese trotz des eingebauten Minicomputers leichter ist als die meisten Modelle auf dem Markt. Obwohl dieser Vorteil nur 10 bis 20 Dekagramme beträgt, ist er für den langen, ganztägigen Gebrauch von großer Bedeutung. Darüber hinaus können aufgrund der 3D-Druck Herstellungstechnologie die einzelnen Teile vollständig angepasst werden, was besonders für Kinder wichtig sein kann, die keine Prothesen verwenden möchten.

Die Prothese hat auch eine „taktile Rückmeldung“, das heißt, dass am Ende jedes Fingers befinden sich Sensoren, die eine Rückmeldung proportional zur Stärke des Griffs geben und Berührungen simulieren. All dies kann besonders wichtig sein, um empfindliche Handbewegungen zu beherrschen und aufrechtzuerhalten, da sich das Gehirn aufgrund kontinuierlicher Rückmeldungen an diese anpassen kann.

Der Preis der Geräte, die ähnlich zu dem Pécser Gerät sind und in der Lage sind, jeden Finger einzeln zu bewegen, liegt bei 13 bis 15 Millionen Forint. Sie versuchen, den Preis des hier entwickelten Modells deutlich günstiger zu ermitteln, rund 8 Millionen Forint, was natürlich nur für relativ wenige Menschen erschwinglich ist. Die AOK Unterstützung könnte zumindest teilweise eine Lösung sein. Sie kann durch individuelle Lizenzierung für bionische Prothesen gemäß dem aktuellen Verfahren erhalten werden. Das Team arbeitet derzeit an dem „Ember Arm“, der in die Liste der unterstützten Geräte aufgenommen werden soll.

Neben der endgültigen Prothese arbeiten die Entwickler in Pécs auch an einem sogenannten Lernmodul, mit dessen Hilfe die Rehabilitation so bald wie möglich nach dem Verlust einer Gliedmaße beginnen kann. Mit einem viel einfacheren Modell als der endgültigen Version kann die Verwendung der Prothese leicht beherrscht werden, während ein virtuelles Realität System und spielerischer Unterricht den Kindern erleichtern, sich daran zu gewöhnen.

"Ember Arm" hat derzeit einen funktionierenden, vom Benutzer getesteten Prototyp. In den nächsten Monaten kommt die Feinabstimmung des Modells und in sechs Monaten kann die zu produzierende Version fertig sein. Sobald die technischen Arbeiten abgeschlossen sind, wird das Team das Ziel jedoch noch nicht erreichen, da daraufhin nach Investoren gesucht und breitere klinische Studien durchgeführt werden sollen. Dr. Péter Maróti, der Fachleiter des 3D Zentrum der Universität Pécs, schätzt, dass es ungefähr ein Jahr dauern wird, bis der „Ember Arm“ die Bedürftigen erreicht.

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