Bidirectionele besturing van prothetische handen met ultrasone sensoren

Voor iedereen die een hand heeft verloren, is een functionele prothesehand een enorm voordeel bij alledaagse activiteiten. Daarom werken onderzoekers van Fraunhofer in het kader van een EU-onderzoeksproject aan het verbeteren van de besturing van prothesehanden tot aan de afzonderlijke vingers. In plaats van conventionele elektroden die zenuwimpulsen in spierweefsel in de arm detecteren, vertrouwen deze op ultrasone sensoren. Dit betekent dat commando’s veel nauwkeuriger en gevoeliger zijn uit te voeren. In de volgende fase willen de onderzoekers het ontwerp bidirectioneel maken, waarbij de hersenen ook sensorische prikkels ontvangen van de prothese.

Samen met de partners in het project hebben Fraunhofer-onderzoekers aangetoond dat het besturen van prothesehanden aanzienlijk kan worden verbeterd. Dit is mogelijk door het gebruik van ultrasone sensoren. Iemand die bijvoorbeeld een hand heeft verloren na een ongeluk, zou in staat kunnen zijn om individuele vingers op de prothese nog beter te besturen. Daarnaast is het mogelijk de vingers nog preciezer te bewegen dan voorheen mogelijk was met myo-elektrische prothesen. Myo-elektrische prothesen werken meestal met elektroden op de huid die elektrische signalen van spiersamentrekkingen opvangen en doorsturen naar een elektronicamodule die op zijn beurt de prothese bestuurt. Met het zogeheten SOMA-project hebben wetenschappers van het Fraunhofer Institute for Biomedical Engineering IBMT in Sulzbach gekozen voor een nieuwe aanpak met ultrasone sensoren.

Ultrasone sensoren

De onderzoekers gebruiken ultrasone sensoren die continu geluidspulsen naar het spierweefsel in de onderarm sturen. In tegenstelling tot elektrische impulsen worden geluidsgolven gereflecteerd door weefsel. De tijd die de weerkaatste signalen nodig hebben om zich voort te planten geeft informatie over de fysieke diepte van de spierstreng die de betreffende geluidsgolf weerkaatst. Hierdoor kunnen samentrekkingen in het spierweefsel die worden uitgelokt door zenuwprikkels in de hersenen zeer gedetailleerd worden bestudeerd. Dit betekent dat identificatie mogelijk is van typische activeringspatronen in de spier zoals hand- of vingerbewegingen.

AI-gestuurde software

Het doel van het project is dat AI-gestuurde software in een compacte elektronicabox de taak van identificatie overneemt. Deze box draagt de patiënt op het lichaam. De elektronica zou de gedecodeerde signalen als een commando naar de actuators in de prothesehand kunnen sturen. Hierdoor gaan de prothesevingers gaan bewegen. De besturingscommando’s worden in realtime gedetecteerd, geanalyseerd en verzonden.

Laboratoriumfase

Dit EU-project rond fundamenteel onderzoek bevindt zich momenteel nog in de laboratoriumfase. Ultrasone transducers en elektronica genereren signalen en decoderen de geluidsgolven die worden teruggekaatst. Deze gegevens worden vervolgens doorgegeven aan een pc waar de AI begint met analyseren. De elektronica stuurt vervolgens de gedecodeerde signalen als commando naar de actuatoren in de prothesehand. Daardoor wordt de vingerbeweging in gang gezet. De voordelen van deze technologie zijn in feite al duidelijk zichtbaar. “De ultrasone besturing werkt met een grotere gevoeligheid en nauwkeurigheid dan mogelijk zou zijn met elektroden. De sensoren zijn in staat om verschillende vrijheidsgraden te detecteren, zoals buigen, strekken of draaien.” Dat zegt Dr. Marc Fournelle, hoofd van de Sensors & Actuators groep bij Fraunhofer IBMT. Hij is verantwoordelijk voor de ontwikkeling van de SOMA ultrasone sensoren binnen het project.

Tijdsverschillen

Het is belangrijk om een hoge precisie en betrouwbaarheid te bereiken. Daarom sturen de piëzo-elektrische geluidstransducers tientallen keren per seconde impulsen in het spierweefsel met een frequentie tussen 1 en 4 MHz. Bovendien 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 teruggezonden. De verzamelde gegevens over de locatie en diepte van de signalen worden vooraf gesorteerd voordat de AI aan het werk gaat. “De AI moet vervolgens de ultrasone signalen analyseren. Het identificeert daarna een activeringspatroon. Tot slot zet AI dit om in een besturingscommando dat naar de corresponderende vinger op de prothese wordt gestuurd. Vanuit een technisch perspectief analyseert de AI de amplitude en het tijdsprofiel van de elektrische spanningen die elke sensormodule levert,” legt Fournelle uit.

Armband

De sensoren zijn geïntegreerd in een armband die in een later stadium in de schacht van de prothesehand kan worden aangebracht. Om de spiersignalen correct te koppelen aan de juiste vinger en de gewenste beweging, moeten de proefpersonen een korte trainingssessie voltooien. Daarbij proberen ze verschillende delen van de hand en vingers te bewegen. De activiteitspatronen die op deze manier ontstaan, slaat het systeem op als basisreferentie. Dit betekent dat er een link is te leggen tussen de corresponderende vinger of het corresponderende deel van de hand en de gewenste beweging. De training duurt slechts enkele minuten.

De technologie werkt

Andreas Schneider-Ickert, projectmanager in de Active Implants unit en innovatiemanager bij Fraunhofer IBMT, zegt: “Proeven met proefpersonen hebben aangetoond dat de technologie werkt. Het is heel gemakkelijk te gebruiken en niet-invasief. We werken er nu aan om het systeem nog onopvallender te maken.”

Projectpartners in vijf landen

In totaal werken zeven partners uit vijf landen samen als onderdeel van het SOMA-consortium. Fraunhofer IBMT-experts brengen hun ervaring in de ontwikkeling van sensoren en op het gebied van onder andere neuroprothesen en implantaten in. Het team ontwikkelde de speciaal aangepaste ultrasone transducers en de elektronicabox. Het Imperial College of Science Technology and Medicine in Londen ontwikkelde samen met de Fraunhofer-onderzoekers het AI-proces voor het herkennen van bewegingspatronen en voerde de eerste tests uit op proefpersonen. “We werken ook al een aantal jaar heel nauw samen met de Università Campus Bio-Medico di Roma (UCBM). Zij coördineren het hele SOMA-project en benaderden ons met het idee voor de sensoren,” legt Schneider-Ickert uit.

Volgende fase

Na het proof of concept en de positieve feedback van de proefpersonen gaat het werk aan SOMA gestaag verder. In de volgende fase willen de onderzoekers de temporele resolutie van de sensoren verder verbeteren en de elektronica kleiner maken. Hiermee wordt het mogelijk de prothese nog nauwkeuriger en comfortabeler te besturen. De sensorarmband zal worden verborgen in de manchet van de prothesehand. Met het oog op een betere geschiktheid voor dagelijks gebruik is het ook denkbaar dat de AI en besturingssoftware op een dag in een smartphone worden geïntegreerd. Nadat de signalen door de elektronicabox zijn gedecodeerd, kunnen ze bijvoorbeeld via Bluetooth naar de smartphone worden verzonden en weer terug.

Sensorische feedback van de prothesehand

Het consortium werkt er ook aan om het systeem bidirectioneel te maken. De prothesehand moet niet alleen commando’s kunnen uitvoeren,. Het moet daarnaast ook feedback kunnen teruggeven die de persoon die de prothese draagt kan voelen als een zintuiglijke prikkel en waarop hij kan reageren. “Wanneer iemand die zijn hand niet kwijt is een glas water oppakt en naar zijn mond houdt, krijgt hij constante feedback van zijn vingers over hoe strak hij het glas moet houden. Hierdoor glijdt enerzijds het glas niet uit zijn handen. Anderzijds versplintert het ook niet omdat er te hard in is geknepen. “Dergelijke functionaliteit onderzoeken we binnen SOMA”, legt Schneider-Ickert uit.

Gebruikersacceptatie en bruikbaarheid

Bruikbaarheid en gebruikersacceptatie zijn cruciale factoren in elke fase van het project. Het SOMA-projectteam heeft in elke fase feedback verzameld van proefpersonen. In de huidige fase zijn dit proefpersonen die hun handen nog hebben. “De feedback van de proefpersonen helpt ons om deze innovatieve prothesehand nog beter te maken. Mensen die een hand hebben verloren, hebben een lange periode van lijden doorstaan. Een functionerende prothesehand is een enorm voordeel bij alledaagse activiteiten en herstelt ook een deel van de levenskwaliteit,” legt Schneider-Ickert uit.

Verbeterd comfort

De ontwikkeling van de innovatieve handprothese geeft ook een merkbare impuls aan de markt voor myo-elektrische prothesen. Wereldwijd is bij naar schatting drie miljoen mensen een arm of hand geamputeerd en dit aantal blijft groeien. Deze mensen zouden baat moeten hebben bij deze verbetering van de myo-elektrische prothesen op het gebied van functionaliteit en comfort.

Bron: Fraunhofer; Beeld: Demonstratiesensor-polsband die wordt gebruikt om spieractiviteit met betrekking tot handbewegingen bij proefpersonen te meten (foto: Fraunhofer IBMT)

Lees ook: Delftse handprothesen naar oorlogsslachtoffers in Oekraïne