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Aktuelles - August 2011

Muskeln von innen gezielt “auf die Sprünge“ helfen

FernUni-Masterarbeit als interdisziplinäres Forschungsprojekt

Illustration

Wenn die Zündung defekt ist, bringt ein Motor selbst in einem vollgetankten Auto keine Leistung. Mit Muskeln verhält es sich genauso: Sie arbeiten nicht, wenn die Nerven keine Impulse weiterleiten. Grund dafür können Erkrankungen des motorischen Nervensystems (z.B. Amyotrophe Lateralsklerose) oder dessen Verletzung nach einem Unfall sein. Die Muskeln sind aber deshalb nicht per se funktionsunfähig. Werden sie durch Muskelprothesen – zum Beispiel durch auf die Haut geklebte Elektroden – stimuliert, können sie dennoch aktiviert werden. Bisher gab es dabei allerdings ein entscheidendes Problem, das Forscher der FernUniversität in Hagen, der Justus-Liebig-Universität Gießen und der Fachhochschule Kempten jetzt interdisziplinär mit der Entwicklung eines myoelektrischen Muskelstimulators gelöst haben. Dessen theoretische Konzeption und prototypische Realisierung stellte kürzlich der die Entwicklung durchführende Diplom-Ingenieur Dietmar Prestel in seiner Abschlussarbeit zum Master of Science im Fach Elektro- und Informationstechnik an der FernUniversität in Hagen vor.

FernUni-Absolvent Dietmar Prestel

Gezielte Stimulationen eines Muskels ermöglichen komplexe Bewegungen

Die Wissenschaftler haben einen Muskelstimulator entwickelt, der ohne Operation über eine Injektionsnadel direkt in einen bestimmten Muskel eines Menschen (oder eines Tieres) implantiert werden kann und ihn dort gezielt stimuliert. Diese gezielte Stimulation tief oder nahe beieinander liegender Muskeln war nach dem bisherigen Stand der Technik nicht ohne Probleme möglich. Nur durch sie kann aber ein Mensch (oder auch ein Tier), dessen Nerven keine Signale an die Muskeln weiterleiten, komplexe Bewegungen (z.B. Greifen) ausführen. Die Forschergruppe, der neben Dietmar Prestel auch seine Betreuer Prof. Dr. Dr. Wolfgang A. Halang, Lehrstuhl für Informationstechnik der FernUniversität in Hagen, Prof. Dr. Arnulf Deinzer, Labor für Betriebssysteme, Rechnernetze und Telekommunikation der Fachhochschule Kempten, und Prof. Dr. Renate Deinzer, Institut für Medizinische Psychologie der Justus-Liebig-Universität Gießen, angehören, hat ihre Erfindung bereits zum Patent angemeldet.

Methoden der Neuroprothetik bilden Ausgangspunkt

Ausgangspunkt für Prestels Abschlussarbeit, auf der die gemeinsame Patentanmeldung aufbaut, sind Methoden der Neuroprothetik. Dieses interdisziplinäre Gebiet entwickelt Neuroprothesen, also winzige technische Systeme zur Überbrückung oder als Ersatz für verloren gegangene oder gestörte neuronale Strukturen. Angekoppelt werden Neuroprothesen an sensorische und aktorische Schnittstellen zum Nervensystem. Dort messen sie Nervensignale und leiten sie – vereinfacht gesagt – an technische Prothesen weiter, die dann in Bewegung gesetzt werden. „Zur Gruppe der technischen Prothesen gehört auch die von uns entwickelte Muskelprothese, die auf myoelektrische Signale reagiert“, erklärt Prestel.

Entstehung und Messung von Muskelkontraktionen

Myolelektrische Signale sendet jeder Muskel, der sich bewegt. Dabei ist es egal, ob der Mensch (oder das Tier) diese Aktion bewusst ausführt, zum Beispiel ein Bein bewegt, oder reflexartig das Augenlid schließt. Prestel: „Der Körper verfügt über eine Ionenpumpe, die in den Außen- und Innenbereich des Muskels Kalium- und Natriumionen in ungleicher Verteilung transportiert. Die so entstehenden Spannungen führen zur Bewegung des Muskel.“

Gemessen werden konnten diese Aktionspotenziale des Muskels bisher entweder an der Hautoberfläche über aufgeklebte Elektroden oder intramuskulär mit hauchdünnen Nadel- bzw. Drahtelektroden. Beide Optionen haben Vor- und Nachteile. Intramuskuläre Messungen sind zwar genauer, führt man aber durch die Haut Elektroden in das Muskelgewebe ein, birgt das natürlich auch immer ein Infektionsrisiko. Dieses Risiko entsteht nicht, wenn die Elektroden auf die Haut geklebt werden. Dafür sind die Messungen aufgrund des größeren Abstandes zum Muskel natürlich ungenauer und eine gezielte Stimulation des Muskels ist nicht möglich“, weiß Prestel.

Masterarbeit dokumentiert Aufbau und Aufgaben des myolektrischen Muskelstimulators

Der von Prestel entwickelte myoelektrische Muskelstimulator eliminiert die Nachteile beider Methoden. Das Infektionsrisiko entfällt, wenn der Stimulator – wie eingangs bereits erwähnt – mit einer Injektionsnadel ohne Operation direkt in einen bestimmten Muskel eingeführt wird. Mit Elektroden ausgestattet verbleibt er dort dauerhaft und regt den Muskel gezielt zur Kontraktion an. Die dafür benötigte Energie wird drahtlos von außen zugeführt. Für die Steuerung des Stimulators kommen mehrere Möglichkeiten in Betracht. Sie kann sich im Gerät selbst, außerhalb oder sowohl innerhalb wie auch außerhalb befinden.

In seiner Masterarbeit beschreibt Prestel detailliert den Aufbau des myoelektrischen Muskelstimulators. „Damit das Gerät im Muskel fest verankert ist und nicht verrutscht, haben wir es in unserer theoretischen Konzeption an beiden Seiten mit Ankerelementen ausgestattet“, nennt er ein Beispiel. Abschließend diskutiert der FernUni-Absolvent die Voraussetzungen für den Einsatz des entwickelten myoelektrischen Muskelstimulators in der Medizin.

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Manuela Feldkamp | 30.08.2011
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