Die Hand ist mit ihren 34 Muskeln und 20 Gelenken ein elementarer Körperteil. Handamputationen haben deshalb enorme physische und psychische Auswirkungen.

Mit Prothesen, die über Hautelektroden elektrische Muskelsignale registrieren – sogenannte myoelektrische Prothesen – können Menschen, die eine Hand verloren haben, bestimmte Funktionen zurückgewinnen. Allerdings ist die Geschicklichkeit dabei oft eingeschränkt und die Zuverlässigkeit hängt von der jeweiligen Signalstärke in der Unterarmmuskulatur ab. Um die Prothesen zu verbessern, können Daten der myoelektrischen Signale mit Daten aus anderen Informationsquellen verknüpft werden. Zum Beispiel mit Augenbewegungen. Diesen Ansatz verfolgt Henning Müller, Professor für Wirtschaftsinformatik an der HES-SO Valais-Wallis in Siders.

Der Blick liefert wertvolle Informationen

«Wenn wir nach einem Gegenstand greifen, fixieren wir diesen für die Dauer einiger hundert Millisekunden», erklärt Müller. Die Blickverfolgung liefere daher wertvolle Informationen über die Wahrnehmung eines Gegenstands, nach dem ein Mensch greife, sowie über die dazu nötige Bewegung.

Ausserdem bleibe das Sehen intakt, im Gegensatz zu den Muskeln der amputierten Extremität, die verkümmerten und das myoelektrische Signal änderten. In Kombination mit der Blickverfolgung könne auch das maschinelle Sehen, die computergesteuerte Erkennung von Gegenständen im Sichtfeld, für die Teilautomatisierung von Handprothesen genutzt werden.

Die typischen Bewegungen einer Hand sollten den Daten zugeordnet werden, die von den Muskeln des amputierten Unterarms und von den zusätzlichen Informationsquellen geliefert werden. Deswegen habe der Wissenschafter einen Versuchsaufbau mit 45 Personen entwickelt. 15 Menschen mit amputierter Hand und eine Kontrollgruppe von 30 Personen mit ansonsten ähnlichen Merkmalen.

Bei allen Teilnehmenden seien zwölf Elektroden am Unterarm sowie Sensoren an Arm und Kopf befestigt worden. Sie hätten zudem Spezialbrillen getragen, die ihre Augenbewegungen registrierten.

Typische Handbewegungen untersucht

Die Testpersonen führten zehn typische Handbewegungen aus. Diese und die dabei verwendeten Gegenstände seien zuvor gemeinsam mit dem Institut für Physiotherapie der HES-SO Wallis ausgewählt worden. So hätten die Probanden etwa einen Stift oder eine Gabel in die Hand nehmen oder mit einem Ball spielen müssen.

Mit Hilfe der Computermodellierung dieser Bewegungen habe Müller eine neue, multimodale Datenbank für Handbewegungen erstellen können. Sie beinhalte nicht nur die von den Elektroden erfassten Daten, sondern auch Informationen über die Bewegungsgeschwindigkeiten des Unterarms, die Augenbewegungen, das maschinelle Sehen und die Kopfbewegungen.

Die neue Datenbank enthalte auch Informationen, die für andere Fachdisziplinen nützlich sein könnten, die an der Erforschung der Koordination von Blick und Handbewegungen beteiligt seien. Dabei geht es zum Beispiel um Neurowissenschaften, Robotik im Gesundheitsbereich, künstliche Intelligenz oder auch Psychologie.

Die interdisziplinäre Studie der HES-SO, des Universitätsspitals Zürich und des italienischen Instituts für Technologie in Mailand wurde im Rahmen des Sinergia-Programms des Schweizerischen Nationalfons durchgeführt. Sinergia fördert die Zusammenarbeit von zwei bis vier Forschungsgruppen, die interdisziplinär und mit Aussicht auf bahnbrechende Erkenntnisse forschen.