Temperatur in Phantomhand spüren

«Wenn ich den Stumpf mit meiner Hand berühre, spüre ich ein Kribbeln in meiner fehlenden Hand, meiner Phantomhand. Aber die Temperaturschwankungen zu spüren, ist etwas anderes, etwas Wichtiges... etwas Schönes», sagt Francesca Rossi.

Rossi ist eine Amputierte aus Bologna, Italien. Sie hat kürzlich an einer Studie teilgenommen, in der die Auswirkungen einer Temperaturrückkopplung direkt auf der Haut ihres verbleibenden Arms getestet wurden. Sie ist eine von 17 Patientinnen und Patienten, die dank der neuen EPFL-Technologie die Temperaturveränderung ihrer fehlenden Phantomhand gespürt haben. Vor allem aber gibt sie an, sich wieder mit ihrer fehlenden Hand verbunden zu fühlen.

«Die Temperaturrückmeldung ist ein schönes Gefühl, denn man spürt die Gliedmasse, die Phantomhand, vollständig. Sie fühlt sich nicht mehr wie ein Phantom an, weil sie wieder da ist», so Rossi weiter.

Die Forscher Silvestro Micera und Solaiman Shokur wollten neue sensorische Rückmeldungen in Prothesen einbauen, um Personen mit amputierten Gliedmassen ein realistischeres Gefühl zu vermitteln, und ihre neueste Studie befasst sich mit der Temperatur. Dabei stiessen sie auf eine Entdeckung über die Temperaturrückmeldung, die ihre Erwartungen weit übertrifft.

Legt man einem gesunden Menschen etwas Heisses oder Kaltes auf den Unterarm, spürt er die Temperatur des Objekts lokal, direkt an seinem Unterarm. Aber bei Amputierten wird die Temperatur am verbleibenden Arm möglicherweise in der fehlenden Phantomhand empfunden.

Durch die nicht-invasive Bereitstellung von Temperatur-Feedback über Thermoelektroden (auch Thermodes genannt), die auf der Haut des Stumpfes angebracht werden, berichten Amputierte wie Rossi, dass sie die Temperatur in ihrem Phantomglied spüren. Sie spüren, ob ein Gegenstand heiss oder kalt ist, und können feststellen, ob sie Kupfer, Plastik oder Glas berühren. Im Rahmen einer Zusammenarbeit zwischen der EPFL, der Sant'Anna School of Advanced Studies (SSSA) und dem Centro Protesi Inail wurde die Technologie bei 17 von 27 Patientinnen und Patienten erfolgreich getestet. Die Ergebnisse wurden in Science veröffentlicht.

«Besonders wichtig ist, dass die Phantom-Wärmeempfindungen von den Patientinnen und Patienten als ähnlich wie die Wärmeempfindungen ihrer intakten Hand wahrgenommen werden», erklärt Shokur, Senior Scientist Neuroengineer der EPFL, der die Studie mitgeleitet hat.

2023 EPFL / Neuro-X Institute

Auf dem Weg zu einer realistischen bionischen Berührung

Die Projektion von Temperaturempfindungen in das Phantomglied hat zur Entwicklung einer neuen bionischen Technologie geführt, die Prothesen mit einem nicht-invasiven Temperaturfeedback ausstattet, das es Amputierten ermöglicht, zu erkennen, was sie berühren.

«Die Temperaturrückmeldung ist wichtig, um Informationen zu übermitteln, die über die Berührung hinausgehen und zu Gefühlen der Zuneigung führen. Wir sind soziale Wesen, und Wärme ist ein wichtiger Teil davon», sagt Micera, Inhaber des Bertarelli-Lehrstuhls für Translational Neuroengineering, Professor an der EPFL und der SSSA und Co-Leiter der Studie. «Nach vielen Jahren der Forschung in meinem Labor, die gezeigt hat, dass Berührungs- und Positionsinformationen erfolgreich übermittelt werden können, sehen wir zum ersten Mal die Möglichkeit, all die reichhaltigen Empfindungen wiederherzustellen, die die natürliche Hand vermitteln kann.»

Temperaturrückmeldung, vom Wohlbefinden bis zur Prothetik

Vor einigen Jahren bekamen Micera und Shokur Wind von einem System, das ein Temperatur-Feedback über die Haut gesunder Personen liefern konnte, das ebenfalls an der EPFL entwickelt und von Metaphysiks ausgegliedert wurde.

Metaphysiks hat eine neuro-haptische Technologie entwickelt, MetaTouch, die den Körper mit digitalen Welten verbindet. MetaTouch kombiniert Berührungs- und Temperaturfeedback, um physische Produkte für das Wohlbefinden zu verbessern.

«Dieser Durchbruch unterstreicht die Fähigkeit der Haptik, medizinische Bedingungen zu verbessern und die Lebensqualität von Menschen mit Behinderungen zu erhöhen», sagt Simon Gallo, Mitbegründer und Leiter der Technologieabteilung von Metaphysiks.

Die Neuroingenieure der EPFL haben MetaTouch ausgeliehen, das thermisches Feedback direkt auf die Haut der Benutzerin gibt. Mit diesem Gerät entdeckten sie die thermischen Phantomempfindungen und testeten es an 27 amputierten Personen.

Der Minitouch-Prototyp und Tests

Für die Studie entwickelten Shokur und Micera den MiniTouch, ein Gerät, das thermisches Feedback liefert und speziell für die Integration in tragbare Geräte wie Prothesen konzipiert ist. Der MiniTouch besteht aus einem dünnen, tragbaren Sensor, der über die Fingerprothese einer Person mit amputierter Gliedmasse gelegt werden kann. Der Fingersensor erkennt thermische Informationen über das berührte Objekt, genauer gesagt, die Wärmeleitfähigkeit des Objekts. Ist der Gegenstand metallisch, leitet er natürlich mehr Wärme oder Kälte als beispielsweise ein Kunststoffgegenstand. Eine Thermode, die mit der Haut des amputierten Arms in Berührung kommt, erwärmt sich oder kühlt sich ab und gibt so das Temperaturprofil des Objekts weiter, das der Fingersensor berührt.

«Als wir die Möglichkeit vorstellten, das Temperaturempfinden am Phantomglied zu erhalten oder den Kontakt mit verschiedenen Materialien zu spüren, erhielten wir viele positive Rückmeldungen. Schliesslich konnten wir in weniger als zwei Jahren mehr als 25 Freiwillige rekrutieren», sagt Federico Morosato, der am Centro Protesi Inail für die Organisation des klinischen Teils der Versuche verantwortlich war.

Die Wissenschaftler fanden heraus, dass kleine Hautareale am Restarm auf bestimmte Teile der Phantomhand projiziert werden, wie den Daumen oder die Spitze eines Zeigefingers. Wie erwartet, entdeckten sie, dass die Zuordnung von Temperaturempfindungen zwischen dem Restarm und dem gesamten projizierten Phantomarm bei jeder Patientin und jedem Patienten einzigartig ist.

Bionische Prothetik für die Reparatur des menschlichen Körpers

Vor fast einem Jahrzehnt gaben Micera und Kollegen sensorische Echtzeit-Rückmeldungen über Objekte, die sie ergriffen. Sie verbesserten die Berührungsauflösung, indem sie auf zuverlässige Weise Rückmeldungen über die Textur und die Position eines Objekts lieferten. Ausserdem entdeckten sie, dass Amputierte ihre Handprothese zu verinnerlichen beginnen, wenn sie sensorisches Feedback direkt in ihr intaktes Nervensystem einspeisen. Das zusätzliche Temperaturgefühl ist ein weiterer Schritt auf dem Weg zur Entwicklung bionischer Prothesen für die Reparatur des menschlichen Körpers. Die Feinabstimmung der Temperaturempfindungen und deren Integration in ein tragbares Gerät, das auf jede Patientin und jeden Patienten übertragen werden kann, sind Teil der nächsten Schritte.