Mensen die door een ongeval of medische aandoening een hand verliezen hebben veel baat bij een functionele handprothese. Voor de 'besturing' en controle van de vingers van een handprothese worden elektroden in het spierweefsel van de arm geplaatst die zenuwimpulsen detecteren en zo de vingers en hand aansturen. Onderzoekers van het Fraunhofer instituut werken aan een nieuwe technologie die de besturing en controle van handprotheses veel nauwkeuriger maakt.
In plaats van conventionele elektroden, wordt bij de nieuwe technologie gebruik gemaakt van ultrasone sensoren. Inmiddels hebben de onderzoekers al kunnen aantonen dat met deze ultrasone sensoren de controle van prothetische handen aanzienlijk kan worden verbeterd. Zo blijken de bewegingen van de vingerprotheses niet alleen nauwkeuriger, maar ook met meer gevoeligheid kunnen worden uitgevoerd.
Handprothese innovatie
De wetenschappers van het Fraunhofer Instituut voor Biomedische Technologie IBMT ontwikkelen deze nieuwe aanpak en technologie vanuit het hiervoor speciaal opgezette SOMA-project. Dat staat voor 'Ultrasound peripheral interface and in-vitro model of human somatosensory system and muscles for motor decoding and restoration of somatic sensations in amputees'.
Bij deze nieuwe innovatie worden de conventionele, op de huid geplaatste, elektroden van de handprothese, vervangen door ultrasone sensoren die continu geluidspulsen naar het spierweefsel in de onderarm sturen. In tegenstelling tot elektrische impulsen worden geluidsgolven door weefsel gereflecteerd. De tijd die de gereflecteerde signalen nodig hebben zich te verplaatsen, geeft informatie over de fysieke diepte van de spierstreng die de betreffende geluidsgolf reflecteert. Hierdoor kunnen contracties in het spierweefsel, veroorzaakt door zenuwprikkels in de hersenen, tot in detail worden bestudeerd. Dit betekent op zijn beurt dat typische activeringspatronen in de spier, die specifieke hand- of vingerbewegingen vertegenwoordigen, kunnen worden geïdentificeerd.
AI-gestuurde software
Het doel van het project is dat AI-gestuurde software in een compact apparaat, dat op het lichaam van de patiënt wordt gedragen, de taak van identificatie van de signalen voor de handprothese overneemt. De 'controler' moet de gedecodeerde signalen vervolgens als een commando naar de actuatoren in de prothesehand sturen, waardoor beweging van de vingers van de handprothese wordt geactiveerd. Besturingsopdrachten worden in realtime gedetecteerd, geanalyseerd en verzonden.
Om de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid van de detectie en analyse van de besturing van de handprothese te verhogen, sturen de piëzo-elektrische geluidstransducers tientallen keren per seconde impulsen naar het spierweefsel met een frequentie tussen 1 en 4 MHz. Verder zijn er minimaal 20 sensoren met elkaar verbonden. Naast de diepte-informatie levert elke sensor ook gegevens over de positie van de spierstreng die zojuist een golf heeft teruggestuurd.
De verzamelde gegevens over de locatie en diepte van de signalen worden eerst gesorteerd en daarna kan de AIaan de slag gaan. “De AI moet vervolgens de ultrasone signalen analyseren, een activeringspatroon identificeren, omzetten in een besturingscommando en naar de bijbehorende vinger op de prothese sturen. Vanuit technisch perspectief analyseert de AI de amplitude en het tijdsprofiel van de elektrische spanningen die elke sensormodule levert”, legt Marc Fournelle, hoofd van de Sensors & Actuators-groep bij Fraunhofer IBMT, uit.
Plaatsing sensoren en training
Op dit moment - de technologie is nog volop in ontwikkeling - worden de sensoren voor de handprothese geïntegreerd in een armband. In een later stadium wordt het wellicht mogelijk om de sensoren in de schacht van de handprothese te plaatsen. Om ervoor te zorgen dat de spiersignalen aan de juiste en de gewenste beweging gekoppeld wordt, moeten de gebruikes van de handprothese die met deze nieuwe technologie ontwikkeld wordt, een korte trainingssessie voltooien. Tijdens die training moeten zij verschillende delen van de hand en vingers proberen te bewegen. Zo kunnen de gegenereerde activiteitspatronen als basisreferentie in het systeem opgeslagen worden. Vervolgens kan er een link gelegd worden tussen de betreffende vinger of een deel van de hand, en de gewenste beweging. De training duurt slechts een paar minuten.
“Tests met proefpersonen hebben aangetoond dat de technologie werkt. Het is heel gemakkelijk te gebruiken en niet-invasief. We zijn er nu mee bezig om het systeem nog onopvallender te maken”, aldus Andreas Schneider-Ickert, projectmanager bij de unit Active Implants en innovatiemanager bij Fraunhofer IBMT.
Het trainen van het gebruik van een handprothese is een traject die elke gebruiker, ook van protheses met conventionele sensoren, moet doorlopen. In Groningen, werd twee jaar geleden onderzoek gedaan naar het inzetten van serious gaming bij die training.
Doorontwikkeling
Binnen het SOMA-project wordt ook gewerkt aan een oplossing om het systeem bidirectioneel te maken. De prothesehand moet niet alleen opdrachten kunnen uitvoeren, maar ook feedback kunnen geven die de drager van de prothese als zintuiglijke prikkel kan voelen en waarop hij kan reageren. Die feedback, zo stellen de wetenschappers, zou in plaats van met ultrasone sensoren ook kunnen worden geleverd via elektroden die in of op zenuwen worden geïmplanteerd. Van daaruit zenden ze signalen die door de prothese naar de hersenen worden gestuurd als sensorische stimulus in de vorm van specifieke zenuwstimulatie.
Dit betekent dat de hersenen van de persoon feedback krijgen van de kunsthand en opdrachten kunnen terugsturen die bijvoorbeeld de vingers strakker of losser maken. De persoon kan de elektrode, die is gemaakt van biologisch compatibel materiaal en in het zenuwweefsel is geïmplanteerd, niet voelen. “Dit betekent dat er een gesloten circuit wordt opgezet, waarbij de hersenen en de prothesehand voortdurend en in realtime met elkaar communiceren”, legt Fournelle uit. Fraunhofer IBMT heeft de relevante technologie en elektroden hiervoor al ontwikkeld en getest.
