DE69821640T2 - Künstliche empfindlichkeit - Google Patents

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein neues Prinzip für künstliche Empfindlichkeit durch Sinnessubstitution (Ersetzen einer verlorenen Sinnesfunktion durch einen alternativen Sinn). Das Hauptziel ist es, durch Verwendung des Gehörsinns eine Empfindlichkeit bei Handprothesen zu schaffen. Das Ziel ist außerdem, Empfindlichkeit, die infolge von Nervenschädigungen oder durch eine andere Art von Verletzungen oder Krankheit, die zu einem sensorischen Verlust oder einer sensorischen Beeinträchtigung in der Hand, in Teilen der Hand, dem Fuß oder einem anderen Körperteil führte, verloren gegangen ist, zu ersetzen. Durch Anwendung dieses Prinzips kann der Patient "mit dem Gehörsinn fühlen" und den Gehörsinn verwenden, um die Oberfläche, Struktur, Dichte und Form des Gegenstands, der berührt wird, zu registrieren und zu identifizieren.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Die menschliche Hand ist ein Greiforgan, das durch ein gutes Greifvermögen sowie die Fähigkeit für hochgenaue motorische Bewegungen gekennzeichnet ist. Die Hand ist außerdem ein Sinnesorgan mit einer äußerst gut entwickelten sensorischen Funktion. Die Empfindlichkeit der Hand umfasst nicht nur die Fähigkeit, Druck, Berührung, Schwingung, Temperaturschwankungen usw. zu erfühlen, sondern auch die Fähigkeit – ohne zu sehen – die Form, Oberfläche und Struktur von Gegenständen, die berührt werden, wahrzunehmen, eine Fähigkeit die Stereognosie genannt wird. Es ist wohlbekannt, dass die Handfunktion in starkem Maße von diesem sensorischen Rückkopplungssystem abhängt – "eine Hand ohne Empfindlichkeit ist eine Hand ohne Funktion".
  • Es gibt viele Situationen, in denen der Mangel an Empfindlichkeit ein Haupthindernis für eine Funktion in der Hand ist und in denen irgendeine Art künstlicher Empfindlichkeit von großer Wichtigkeit wäre. Ein Rückblick- über mehrere solche Fälle folgt nachstehend:
  • Im Anschluss an Amputationsverletzungen auf Unter- oder Oberarmhöhe kann der Patient eine "künstliche Hand" gut gebrauchen, d. h., dass eine Handprothese die amputierte Hand ersetzen kann. Eine solche Handprothese kann durch Verwendung einer Manschette, die den verbliebenen Teil des Unterarms (Amputationsstumpf) umschließt, oder durch Titanspannvorrichtungen (nach Bränemark), die in das Skelett eingesetzt werden, an dem Amputationsstumpf fixiert werden. Die Prothese kann kosmetischer Art ohne Möglichkeiten zur Bewegung oder funktioneller Art mit Möglichkeit zur aktiven beabsichtigten Bewegung sein. Der letzte Fall bezieht sich auf muskelgesteuerte myoelektrische Prothesen. Diese Prothesen werden durch elektrische Aktivität in Muskeln, die noch im Amputationsstumpf vorhanden sind, gesteuert. Über Oberflächenelektroden in der Manschette, die den Amputationsstumpf umschließt, können solche Impulse in den Extensor- oder Flexormuskeln aufgezeichnet und zur Steuerung eines Motors in der Prothese, der die prothetische Hand öffnen oder schließen kann, verwendet werden.
  • Myoelektrische Handprothesen können sehr sinnvoll sein, jedoch verwenden viele Patienten ihre Prothesen nur in einem gewissen Maß oder überhaupt nicht. Der eigentliche Grund ist häufig die Tatsache, dass es den Prothesen an Empfindlichkeit fehlt, so dass keine Rückkopplungsfunktion in dem System vorhanden ist. Viele Patienten sind auf die visuelle Beobachtung jeder Bewegung in der Prothese angewiesen, um den Mangel an Empfindlichkeit bis zu einem bestimmten Grad zu kompensieren. Ein System, das eine wirkliche Empfindlichkeit in einer solchen Handprothese verleihen würde, würde deren Funktion erheblich verbessern.
  • Schwere Verletzungen an Arm oder Hand durch Durchtrennung oder Quetschung beinhalten gewöhnlich Schädigungen eines oder mehrerer Nervenstränge. Beispielsweise führt die Durchtrennung eines der Hauptnervenstränge an dem volaren Teil des Handgelenks (N.medianus) zu einem totalen sensorischen Verlust im größten Teil der Hand. Eine solche Schädigung führt zu einer stärkeren Körperbehinderung, da die Handfunktion infolge des sensorischen Verlustes sehr stark beeinträchtigt ist. Im Anschluss an eine operative Versorgung des Nervs wachsen neue Nervenfasern in die Hand, da die Empfindlichkeit in der Hand wegen der Fehlorientierung von Nervenfasern und der unvollständigen Innervation häufig beeinträchtigt bleibt. Im Anschluss an eine Schädigung und eine operative Versorgung von Nervensträngen in Handgelenkhöhe braucht es sechs Monate, bis sich eine sinnvolle Wiedererlangung der Sensorik in der Hand ergibt. Falls ein vollständiger sensorischer Verlust der Hand besteht, hat der Patient während dieser Monate große Schwierigkeiten, die Hand zu benutzen, da keine sensorische Rückkopplung besteht. Ein System für künstliche Empfindlichkeit während dieser Zeitspanne würde das postoperative Training stark vereinfachen und somit zu einer schnelleren Rehabilitation führen.
  • Eine große Zahl neurologischer Erkrankungen führt zu einer beeinträchtigten Empfindlichkeit oder zu einem totalen sensorischen Verlust in der Hand. Bei Polyneuropathien kann eine solche sensorische Beeinträchtigung in vielen Teilen des Körpers einschließlich der Arme und Hände entstehen. Eine solche Neuropathie kann z. B. bei Diabetes, Alkoholmissbrauch oder beeinträchtigter Nierenfunktion vorkommen. Eine beeinträchtigte Empfindlichkeit kann auch bei MS (Multipler Sklerose) und Schlaganfall ein Problem sein. In Industriegesellschaften kann eine sensorische Beeinträchtigung infolge von langzeitigem Gebrauch handgehaltener vibrierender Werkzeuge ein Problem sein. In globaler Perspektive ist Lepra das deutlichste Beispiel dafür, wie eine sensorische Beeinträchtigung nicht nur zu einer beeinträchtigen Handfunktion, sondern auch zu Schädigungen und Infektionen führt, die in spontanen Amputationen von Fingern, Zehen und anderen Körperteilen enden können.
  • In diesen Fällen würde die Restitution von Empfindlichkeit in der Hand und anderen Körperteilen einen Hauptvorteil im Hinblick auf eine verbesserte Funktion darstellen und auch dazu beitragen, Schädigungen des Körpers zu verhindern.
  • Die oben gegebene Beschreibung war primär auf die Hand und die obere Extremität gerichtet. Auch bei der unteren Extremität kann ein sensorischer Verlust größere Probleme entstehen lassen. Bei Diabetes kann ein sensorischer Verlust im Fuß zu Wunden, Infektionen, Nekrose und Amputation führen. Bei Amputationsverletzungen können Prothesen sehr sinnvoll sein, jedoch kann wegen des Mangels an Empfindlichkeit in den Prothesen deren Verwendung begrenzt sein.
  • Künstliche Empfindlichkeit ist ein Prinzip, nach dem verlorene oder beeinträchtigte Empfindlichkeit durch ein alternatives System für sensorische Rückkopplung ersetzt wird. Um dieses Ziel zu erreichen, ist das Folgende erforderlich: 1) Erfassung von sensorischen Reizen, z. B. von Druck oder Vibration, 2) Verarbeitung und Übertragung des aus solchen Reizen resultierenden Signals, 3) irgendeine Art von auf dem übertragenen Signal basierender Sinneswahrnehmung.
  • Die Registrierung eines Reizes erfordert irgendeine Art von Sensor. Zur Erfassung von Druck sind piezoresistive Membranen, z. B. in den Greiforganen von Industrierobotern, verwendet worden. Auch in Versuchen an Menschen sind piezoresistive Membranen, die an den Fingerspitzen von Handprothesen oder denervierten Händen angebracht waren, verwendet worden. Ein auf eine solche Membran aufgebrachter Druck löst ein elektrisches Signal aus, das zu dem aufgebrachten Druck proportional ist.
  • Die elektrischen Signale können verarbeitet und zum Ausüben von elektrischen oder vibrotaktilen Reizen auf intakte, empfindliche Haut, die sich proximaler an derselben Extremität oder an einem anderen Teil des Körpers befindet, verwendet werden. Dieses Prinzip besitzt jedoch beispielsweise wegen der schnellen Gewöhnung der Haut an einen solchen Reiz große Nachteile. Außerdem liefert ein solches Prinzip einen "unphysiologischen" Reiz, der nicht zur Identifikation der berührten Oberfläche oder Struktur verwendet werden kann.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Möglichkeiten zum "Fühlen mit dem Gehörsinn", d. h. zum Ersetzen vibrotaktiler Reize durch akustische Reize, zu schaffen. Die Erfindung schafft durch Verwendung des Gehörsinns Möglichkeiten zum Erkennen der Beschaffenheit der Oberfläche und der Struktur, die berührt werden, und dadurch das Erzielen einer deskriptiven, funktionellen Sinneswahrnehmung. Die Erfindung basiert auf einem neuen Prinzip für künstliche Empfindlichkeit basierend auf Sinnessubstitution, d. h. der Verwendung eines alternativen Sinnes, der einen verlorenen Sinn ersetzt.
  • Im täglichen Leben gibt es verschiedene Arten von Sinnessubstitution: ein blinder Mensch kann mit den Fingerspitzen in Braille lesen (das Sehen ist durch Ertasten ersetzt); eine tauber Mensch kann die Bewegungen der Lippen seines Gegenübers lesen (der Gehörsinn ist durch das Sehen ersetzt) und kann auch die Schwingungen im Kehlkopf des Gegenübers erfühlen und auswerten (der Gehörsinn ist durch die Sensibilität ersetzt).
  • Bei der vorliegenden Erfindung wird verlorene Sensibilität oder Empfindlichkeit durch den Gehörsinn ersetzt. Der Gehörsinn ist äußerst gut entwickelt und in dieser Hinsicht dem sensorischen Sinn angeglichen. Der sensorische Sinn basiert wie auch der Gehörsinn zu einem großen Teil auf der Erfassung und Interpretation von Vibrationsreizen – die Substitution von verlorener Empfindlichkeit durch Hören ist deshalb biologisch ein Tonschwingungsprinzip.
  • Unser Ziel ist die Anwendung eines Prinzips, das nicht nur die Registrierung und Wahrnehmung von Änderungen von Schwellenpegeln, der Temperatur usw. erlaubt, sondern auch die Registrierung und Wahrnehmung der Beschaffenheit der Oberfläche und der Struktur, die berührt werden, tatsächlich möglich macht und dadurch die deskriptive, funktionelle Empfindlichkeit, die die menschliche Hand charakterisiert, ersetzen kann.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Das Grundprinzip der vorliegenden Erfindung besteht darin, fehlende oder verlorene Empfindlichkeit in Handprothesen, Händen oder anderen Körperteilen durch die Verwendung eines Ersatzsinns – des Gehörsinns – zu ersetzen und hiermit die speziellen Qualitäten des Gehörsinns zu nutzen, um verlorene Empfindlichkeit zu ersetzen. Wenn eine Oberfläche oder ein Gegenstand mit der Hand in üblicher Weise berührt wird, werden stets Schwingungen, die durch einen schwachen Reibungsschall repräsentiert sind, erzeugt. Dieser Reibungsschall ist im einzelnen Fall sehr charakteristisch für die Oberfläche und die Struktur, die berührt wird. Normalerweise ist dieser Schall sehr schwach. Im Fall von verlorener oder fehlender Empfindlichkeit kann die vorliegende Erfindung jedoch diese Schallreize verwenden, verstärken und zu akustischen Reizen verarbeiten, deren Charakter nicht verfälscht ist, sondern vielmehr eine gesteigerte Wahrnehmung des natürlichen "Berührungsschalls" darstellt. Es dreht sich hier nicht um einen verfälschten, unphysiologischen Schall, der durch Töne usw. charakterisiert ist.
  • Wenn das Signal in einem Stereoverstärker verarbeitet wird und beide Ohren (alternativ eine Knochenleitung von beiden Seiten des Schädels) verwendet werden, können die Finger der Hand auf verschiedene räumliche Stellen im Raum "projiziert" werden (wie die Gruppen des Sinfonieorchesters), was dem Patienten ermöglicht, zu erkennen, welche Finger berührt werden. Das Prinzip kann mit anderen Systemen für Registrierung und Wahrnehmung von Änderungen auch hinsichtlich einer Berührung, der Temperatur usw. kombiniert werden.
  • Das System erfordert ein Sensorsystem am Ort der Berührung, Verarbeitungs- und Verstärkungskomponenten und eine Einrichtung zur Stimulation des Gehörsinns oder des Knochenleitungssystems des Schädels.
  • Bei der vorliegenden Erfindung sind die Sensoren Mikrofone, die "den Reibungsschall" (vibrotaktilen Reiz), der stets freigesetzt wird, wenn ein Gegenstand berührt wird, und der für dessen Oberfläche, Struktur und in manchen Fällen Form und Dichte charakteristisch ist, registrieren können. Der "Berührungsschall" (der stets schwach gehört werden kann) ist beim Berühren von z. B. Metall, Glas, Schaumgummi, Leinen, einer Orange oder eines Apfels ganz unterschiedlich. In einer Handprothese können Mikrofone direkt in den Fingern der Prothese enthalten sein. Im Hinblick auf Hände mit verlorener oder beeinträchtigter Empfindlichkeit kann der Sensor oder können die Sensoren in einem Handschuh, der über die verletzte Hand gezogen wird, enthalten sein. Um eine Identifikation von einzelnen Fingern zu ermöglichen, ist es natürlich wichtig, dass die Sensoren an mehreren Fingern angelegt sind.
  • Die vibrotaktilen Reize, die von den Sensoren registriert werden, wenn die Hand oder die Prothese eine Oberfläche berührt oder darüber gleitet, wird in einem Verstärkungssystem, das vom Stereotyp sein kann, verarbeitet. Die Signale werden durch Drähte oder mittels drahtloser Techniken an Kopfhörer, die an ein Ohr oder an beide Ohren angelegt werden, übertragen. Die Hörmuscheln können kleine Abmessungen besitzen. Das Signal kann durch Stimulatoren, die z. B. direkt hinter dem äußeren Ohr angeordnet sind, auch direkt auf den Knochen des Schädels übertragen werden. Alternativ können die Signale durch in den Knochen eingeführte Implantate direkt auf den Knochen des Schädels übertragen werden.

Claims (5)

  1. Vorrichtung für künstliche Empfindlichkeit, bei der fehlende, verlorene oder beeinträchtigte Empfindlichkeit in einer Handprothese, einer Hand, einem Finger oder einem anderem Körperteil durch Höhrwahrnehmung solcher Art ersetzt ist, dass die Oberfläche, Struktur und in einigen Fällen auch die Dichte und Form eines berührten Objekts wahrgenommen und identifiziert werden können, mit: – einer Handprothese oder einem Handschuh angelegt an die Handprothese, die Hand, den Finger oder den anderen Körperteil, wobei eine Vielzahl von Mikrofonen in der Prothese oder dem Handschuh enthalten sind, – einer Verstärkungsvorrichtung, – einem oder mehreren Kopfhörern oder Einrichtungen anderer Art zur Stimulation des Gehörsinns, wobei ein vibrotaktiler Reiz, der durch Reibung in Verbindung mit einer Berührung eines Gegenstands in Kombination mit einer Bewegung der Handprothese, der Hand, des Fingers oder des anderen Körperteils über den Gegenstand ausgelöst wird, durch die Mikrofone registriert und durch die Verstärkungsvorrichtung zu dem einen oder mehreren Kopfhörern oder der Einrichtung anderer Art zur Stimulation des Gehörsinns übertragen wird, die an ein oder beide Ohren angelegt oder in Verbindung mit einem oder beiden Ohren ist/sind, wodurch der vibrotaktile Reiz als eine akustische Wahrnehmung wahrgenommen wird.
  2. Vorrichtung für künstliche Empfindlichkeit nach Anspruch 1, wobei das akustische Signal durch eine externe Stimulationsvorrichtung oder durch ein intraossäres Implantat direkt an den Knochen des Schädels angelegt wird.
  3. Vorrichtung für künstliche Empfindlichkeit nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Mikrofone in verschiedenen Positionen in der Handprothese oder dem Handschuh angebracht sind und der vibrotaktile Reiz von den verschieden positionierten Mikrofonen durch einen Stereoverstärker übertragen und auf individuelle getrennte räumliche Positionen projiziert wird, sodass die verschiedenen Orte, an denen die Sensoren angelegt sind, durch die akusti schen Signale einzeln identifiziert und voneinander getrennt werden können.
  4. Vorrichtung für künstliche Empfindlichkeit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Vorrichtung mit einer Einrichtung zum Feststellen auch von Berührung, Temperatur, Bewegung oder Position der Handprothese, der Hand, des Fingers oder des anderen Körperteils kombiniert ist.
  5. Vorrichtung für künstliche Empfindlichkeit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Übertragung des vibrotaktilen Reizes durch drahtlose Übertragung zu einen oder beiden Ohren oder dem Knochen des Schädels erfolgt.
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