Der erweiterte Mensch

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Armprothesen mit Gefühlssensoren, bionische Augen und robotische Exoskelette: Bioelektronische Prothesen und Mikrochip-Implantate, die physische Defizite ausgleichen, werden immer leistungsfähiger. Body-Hacker gehen sogar noch weiter und rüsten Sinne für Ultraschall und Infrarotlicht nach.

In keinem Bereich verschmelzen Mensch und Elektronik mehr als in der Medizin. Bioelektrische Prothesen, Biosensoren und Elektronik-Implantate unterstützen Menschen mit körperlichen Einschränkungen dabei, ihr Leben zu meistern. Vielversprechende neue Perspektiven eröffnet zum Beispiel die sensorische Neuroprothetik.

Netzhaut-Chips und Cochlea-Implantate

Die Retina-Prothese Argus 2 wird operativ in und um das Auge gesetzt.
Die Retina-Prothese Argus 2 wird operativ in und um das Auge gesetzt.

Retina-Implantate geben Menschen mit Netzhautdegeneration ein gewisses Sehvermögen zurück – vorausgesetzt die Sehnerven und zugehörige Hirnareale sind intakt. Das verbreitete System Argus II des US-Herstellers Second Sight besteht aus einer Kamerabrille und einem epiretinalen Chip-Implantat. Ein Minicomputer übersetzt hier einfallendes Licht in Schaltbefehle, die über eine Induktionsspule drahtlos an eine Empfängerspule am Augapfel übertragen werden, die dann Signale zum Chip auf der Netzhaut weiterleitet. 60 Elektroden stimulieren die noch intakten Retinazellen. Sie senden über den Sehnerv visuelle Informationen an das Gehirn. Der Mensch nimmt Lichtmuster wahr. Beim System Alpha AMS der Tübinger Firma Retina Implant wird das Implantat subretinal, also zwischen Netz- und Aderhaut, gesetzt. Der Chip mit 1.600 Elektroden dient auch als Sensor. In beiden Fällen erzeugt das bionische Auge aber nur schemenhafte Bilder. Weiter ist man beim Cochlea-Implantat: Menschen, die gehörlos geboren wurden oder ertaubten, können damit Sprache und Musik hören. Ein Mikrofon hinter dem Ohr registriert die akustischen Eindrücke. Eine Spule sendet die Signale an das Implantat im Innenohr. Es wandelt den Schall in elektrische Impulse um, die die Nerven der Hörschnecke (Cochlea) stimulieren.

Handprothesen mit Gefühlssinn

Bionische Hand mit Gefühlssensoren: Die Prothesen leiten Impulse an das Gehirn zurück und erlauben ihren Trägern, mit den künstlichen Gliedmaßen zu fühlen. (Quelle: Johns Hopkins Applied Physics Laboratory)
Bionische Hand mit Gefühlssensoren: Die Prothesen leiten Impulse an das Gehirn zurück und erlauben ihren Trägern, mit den künstlichen Gliedmaßen zu fühlen. (Quelle: Johns Hopkins Applied Physics Laboratory)

Von Armmuskeln gesteuerte elektromechanische Handprothesen gibt es schon lange. An bionischen Händen, deren Fingerspitzen fühlen können, wird weltweit gearbeitet, zum Beispiel am Zentrum für Neuroprothesen der ETH Lausanne oder im DARPA-Forschungszentrum des US-Verteidigungsministeriums. Sensoren an den Fingerspitzen sind mit einem Computer verkabelt, der über Elektroden in den Nervenbahn des Armstumpfs die Nervenfasern so stimuliert, dass im Gehirn die richtigen Signale ankommen. Ein Testträger der Prothese, Dennis Aabo Sørensen, hätte die bionsche Hand am liebsten behalten: „Meine aktuelle Prothese kann 40 Prozent einer echten Hand ersetzen, die bionische Hand 80 Prozent.“ Es ist noch viel Entwicklungsarbeit zu leisten. Experten rechnen aber damit, dass in fünf Jahren erste Prothesen mit Handsensoren auf dem Markt sein werden.

Herzschrittmacher ohne Elektroden

Der weltweit kleinste Herzschrittmacher Micra kommt ohne Elektroden aus. Seine Batterie soll zehn Jahre durchhalten.

Seit fast 60 Jahren stimulieren Herzschrittmacher das menschliche Pumporgan mit Elektroden. Der große Nachteil bislang: Die Elektrodendrähte der Herzschrittmacher führen – je nach Funktionsweise – beispielsweise in die rechte Herzkammer und sind für einen Großteil der Komplikationen verantwortlich. Abhilfe schafft der kabellose miniaturisierte Herzschrittmacher Micra des US-Herstellers Medtronic, der ohne Elektroden auskommt und damit minimalinvasiv über eine Vene vom Bein aus implantiert werden kann: „Der Schrittmacher stellt ein minimales Infektionsrisiko dar und umgeht alle Probleme, die wir bisher mit den Elektroden in Kauf nehmen mussten“, erklärt Medtronic-Vizechef David Steinhaus. Das Gerät ist 93 Prozent kleiner als herkömmliche Schrittmacher und wird mit Titanärmchen an der Herzwand verankert. Geschätzte Lebensdauer der Batterie: zehn Jahre.

Energieversorgung von Implantaten per Ultraschall

Die Energieversorgung ist ein grundsätzliches Problem aktiver Implantate. Denn Batterien beanspruchen Platz und müssen regelmäßig operativ ausgetauscht werden. Als drahtlose Alternative hat sich die Induktion etabliert, bei der elektromagnetische Wellen Energie und Informationen übertragen. Nachteil: Die Wellen werden vom metallischen Implantatgehäuse abgeschirmt wie Blitze beim Faradayschen Käfig. Das Fraunhofer-Instituts für Biomedizinische Technik hat daher eine Technologie entwickelt, die aktive Implantate per Ultraschallwellen drahtlos mit Energie versorgt. Die mechanischen Wellen werden von piezoelektrischem Material in Sender und Empfänger ausgelöst und aufgenommen. Wird Spannung angelegt, verformen sich die piezoelektrischen Wandler. Das löst mechanische Wellen aus, die den piezoelektrischen Empfänger verformen, wodurch Strom produziert wird. Energieübertragung per Ultraschall ist effizienter als durch Induktion. Ultraschall kann zudem Informationen bidirektional übertragen, also auch Daten wie die Temperatur des Implantats senden.

Patienten-Überwachung mit Inertial-Sensoren und On-Chip-Radar

Inertial-Sensoren erfassen bewegungsdynamische Daten. Wie man damit Alzheimer-Patienten unterstützen kann, weiß Markus Haid vom Kompetenzzentrum für angewandte Sensorik in Darmstadt. Anwendungsmöglichkeiten stellt er auf der electronica in seinem Vortrag Quo vadis Alzheimer-Patient? – Inertial-basiertes Personentracking im medizinischen Umfeld vor (8. November, electronica Forum, Halle A3). Anonyme Patienten- und Seniorenüberwachung machen miniaturisierte On-Chip Radarsysteme von Embedded Brains möglich. Sie ermitteln Position, Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung ohne dass der Patient einen Sensor trägt. So ist etwa die Atmungsüberwachung anhand der Brustkorbbewegungen von der Decke aus möglich.

Computer-Hirn-Schnittstellen

Cybathlon 2016: Zu den Disziplinen des internationalen Wettkampfes gehört ein gedankengesteuertes Rennen und ein Parcours mit Exoskeletten.
Cybathlon 2016: Zu den Disziplinen des internationalen Wettkampfes gehört ein gedankengesteuertes Rennen und ein Parcours mit Exoskeletten.

Prothesen, die sich über ein Brain Computer Interface (BCI) steuern lassen, befinden sich noch im Experimentierstadium. Oft scheitert es an der Sensortechnik: Das EEG liefert zu ungenaue Daten und implantierte Elektroden sind mit teils bedenklichen Eingriffen verbunden. Welche sportlichen Leistungen Menschen mit elektronischen Assistenten wie BCIs bereits heute erbringen können, zeigt die ETH Zürich im electronica Forums-Beitrag „Mechatronic Solutions for People with Disabilities and the Cybathlon“ (8. November, electronica Forum, Halle A3). Die ETH organisierte den Cybathlon, einen Wettkampf für körperbehinderte Sportler aus 24 Ländern. Zu den Disziplinen gehörten ein Autorennen per Gedankensteuerung, ein Hindernisparcours mit Exoskeletten (Stützrobotern) und ein Wettlauf mit aktuierten Beinprothesen.

Graphen-Wearable verabreicht Medikamente

Zweidimensionaler Kohlenstoff – Graphen genannt – ist die große Hoffnung vieler Materialwissenschaftler. Es ist leitfähiger als Kupfer oder Silizium, da sich freie Elektronen in der Gitterstruktur extrem schnell bewegen. An der Seoul National University in Südkorea wurde ein Graphen-Pflaster für Diabetiker entwickelt, das Schweiß zur Analyse des Blutzuckerwerts nutzt und mit Mikronadeln Insulin injiziert. Welche Anforderungen Wearables an Elektronik-Komponenten stellen, ist Thema der electronica-Podiumsdiskussion Wearables for Healthcare – Components for digital medicine (8. November, electronica Forum, Halle A3).

Mit der Zunge sehen und Farben hören

Die Möglichkeit, mittels Elektronik einen defekten Sinn durch einen anderen Sinn zu ersetzen (Sensory Substitution), nutzt Brain Port V100. Das System des amerikanischen National Eye Institute ermöglicht blinden Menschen, mit der Zunge zu „sehen“: Bilder einer Videokamerabrille werden in elektrische Signale umgewandelt und mit 400 Elektroden an ein Zungenblättchen weitergegeben. Von dort wird die elektrische Stimulation an das Gehirn übermittelt. Sensory Augmentation ist das Hinzufügen eines neuen Sinns, den der Mensch ursprünglich gar nicht hat. Bekanntestes Beispiel ist der farbenblinde Neil Harbisson, der Farben „hört“ – auch Ultraviolett- und Infrarot-Strahlen. Der Sensor in der Kamera vor seinen Augen ist mit einem Chip im Hinterkopf verbunden, der die Farbfrequenzen in hörbare Töne umwandelt.

Human Enhancement

Doch warum nur Defizite beheben, wenn man auch gesunde Menschen optimieren kann? Vertreter des Human Enhancement wollen mehr als nur Ersatzzeile schaffen. Sie streben nichttherapeutische „Verbesserungen“ des Menschen an. Zu den Visionen gehören Augen mit Zoomfunktion, Ohren mit Ultraschallwahrnehmung, ein dritter Roboterarm und Speichererweiterungen für das Gehirn. Für Christopher Coenen vom KIT-Institut für Technikfolgenabschätzung und Systemanalyse ist die Tiefe Hirnstimulation ein Bereich, in dem Mensch und Technik sehr eng zusammenwachsen. „Ich glaube nicht, dass der Mensch zum DJ am Mischpult seiner Gefühle wird. Die psychische Verfassung lässt sich über neuroelektrische Schnittstellen jedoch massiv verändern, wie es Helmut Dubiel in seinem Buch ‚Tief im Hirn‘ autobiographisch zeigt.“ Es gäbe auch Hinweise darauf, dass künftig eine Art von Gedankenlesen möglich sein wird. „In einer Studie mit Epilepsie-Patienten“, so der Politologe, „gelang es dem KIT und Wadsworth Center unlängst, aus Gehirnströmen, die mit Elektroden am Kortex aufgezeichnet wurden, gesprochene Wörter und Sätze auszulesen und per Computer als Text wiederzugeben.“ Derzeit arbeitet Brain-to-Text auf Basis hörbar gesprochener Sprache. Die Ergebnisse, so Coenen, seien aber ein wichtiger Schritt hin zur Erkennung gedachter Sprache. „Der Weg zu einer halb-telepathischer Kommunikation ist eröffnet. Wenn man Gehirnaktivitäten auslesen kann, lassen sie sich währenddessen im Prinzip auch anderen Menschen zugänglich machen. Damit erscheinen Visionen eines Zusammenwachsens menschlicher Gehirne nicht mehr abseitig, mit allen Hoffnungen und Befürchtungen.“

electronicalogo rand rot rechts dünnWürden Sie sich Elektronik implantieren lassen, um Ihren Körper um neue Fähigkeiten zu erweitern? Diskutieren Sie mit uns hier im Blog und erleben Sie die neuesten Technologien auf der electronica 2016!

 

CYBATHLON 2016

Cybathlon 2016: Zu den Disziplinen des internationalen Wettkampfes gehört ein gedankengesteuertes Rennen und ein Parcours mit Exoskeletten.