Stimulierende Socken

Die Sockenprothese lässt sich mithilfe einer App kalibrieren. · Foto: © ETH Zürich / Michel Büchel

Alles dreht sich um die Fußfessel

Die Schlüsselstelle für die Sockenprothese, die wieder ein normales Empfinden über die Nerven ermöglichen soll, ist die Fessel: das schmale Band rund um den Unterschenkel oberhalb des Sprunggelenks. Innerhalb der Fessel verlaufen dicht unter der Haut sämtliche Äste des Ischiasnervs, der über das Rückenmark zum Gehirn führt. Die hautnah liegenden Nervenäste lassen sich durch die Haut – im Fachjargon: nicht invasiv – stimulieren. An der Beininnenseite ist das der Schienbeinnerv, der für die Bewegung sowie für das Gefühl von Fußsohle und Fußballen sorgt, auf der Seite des Fußrückens sind es der Wadenbein- und der Suralnerv. Diese Nervenstränge sind für das Heben des Fußes und die Bewegungen der Zehen beziehungsweise für das Gefühl an der Außenseite des Fußes verantwortlich.

Die Erkenntnisse, die das Züricher Team um den Neurowissenschaftler Stanisa Raspopovic aus der jahrelangen Forschung der invasiven Nervenstimulation gewonnen haben, lassen sich auch bei der Sockenprothese anwenden. Anstatt in der künstlichen Fußsohle befinden sich die Drucksensoren hier im Sockenboden. Bei jedem Schritt lösen sie elektrische Signale aus, die zunächst per Funk an eine in der Bauchtasche befindliche Kontrolleinheit geschickt werden. Diese wandelt die Signale in künstliche Nervenimpulse um, die ein sogenannter Stimulator per Kabel an 48 Elektroden übermittelt, die rund um die Fessel der Sockenprothese angebracht sind – und dort durch die Haut hindurch die Beinnerven stimulieren.

Vielversprechende Machbarkeitsstudie

In einer 2024 abgeschlossenen Machbarkeitsstudie mit elf Männern und drei Frauen konnte das Forscherteam um Raspopovic belegen, dass die sogenannte Neurostep-Sockenprothese die Trittsicherheit verbessern und die Nervenschmerzen reduzieren kann. In einem mehrfach wiederholten Gehtest über zehn Meter zeigten sich bei vielen der Testteilnehmer deutliche Fortschritte: Sie benötigten für die Strecke immer weniger Schritte. Bei zwölf Probanden, die unter Nervenschmerzen litten, gingen die stechenden und brennenden Schmerzen im Schnitt um 30 Prozent zurück.

Aufschlussreich war zudem der Vergleich der Hirntätigkeit, die sowohl bei gesunden wie auch bei nervenkranken Testteilnehmern durch eine funktionale Magnetresonanztomographie gemessen wurde. Dabei stellte sich heraus, dass das für die Körperwahrnehmung zuständige Hirnareal bei nervenkranken und gesunden Menschen gleich aktiv ist, dass jedoch nervengeschädigte Zuckerkranke bei der direkten Stimulation der Fußnerven nur über ein Drittel der Hirnaktivitäten von Gesunden verfügen. Wurden hingegen die Nerven über die Fessel stimuliert, erreichten kranke Testpersonen bis zu zwei Drittel der Aktivitäten von gesunden.

Letztlich wies die Studie nach, dass die Nervenstimulation im Areal der Körperwahrnehmung der Großhirnrinde – dem somatosensorischen Cortex – der nervenkranken Probanden eine spürbar bessere Gehsicherheit verschaffte. „Das Geradeauslaufen ist mir mit der Stimulation viel leichter gefallen. Ich habe das Gefühl, dass ich meine Beine besser spüre und sie mehr unter Kontrolle habe“, berichtet eine Person aus der Studiengruppe.

Ein kleinerTracker sitzt am oberen Ende der Socke. · Foto: © ETH Zürich / Michel Büchel

Technische Vereinfachung erforderlich

Doch für eine klinische Studie sind die Sockenprothesen in der bisherigen Ausführung in zweierlei Hinsicht noch nicht geeignet. So muss der komplexe technische Aufbau mit Drucksensoren und Elektronen sowie der Kontrolleinheit mit Stimulator vereinfacht werden. Zudem ist für die gezielte Anwendung von Nervenimpulsen durch die Haut eine individuelle Anpassung der Elektroden an die Probanden erforderlich. Zwar verlaufen sämtliche Äste des Ischiasnervs zu den Fußnerven hautnah rund um die Fessel. Da sie jedoch bei jedem Menschen eine etwas unterschiedliche Position einnehmen, müssen die Forscher diesen Verlauf zuerst herausfinden und die Anordnung der 48 Elektroden entsprechend justieren. Und: Je nach Grad der Schädigung der Nerven ist eine Stimulation mit bestimmter Intensität notwendig.

Allein die Prozedur der Kalibration der Elektroden nimmt bislang je Proband rund anderthalb Stunden in Anspruch. Eine Lösung für diese Probleme hat nun offenbar Mynerva gefunden, ein Spin-off-Unternehmen der ETH Zürich. Demnächst will ein Team der Firma eine erste klinische Studie mit dieser Technik starten. „Wir haben den Prototyp stark verbessert und die gesamte Technik in die Socke integriert“, berichtet Mynerva-
Geschäftsführerin Greta Preatoni. „Denn niemand will eine Sockenprothese tragen, die eine Bauchtasche mit einer Kabelführung zu den Füßen benötigt.“ Preatoni war an der Entwicklung der Prothese für die Machbarkeitsstudie beteiligt und hatte auch die individuelle Wahrnehmung während der Nervenstimulation erforscht.

Maschinelles Lernen bringt Fortschritte

Ein entscheidender Fortschritt für die Kalibration der Elektroden wurde zuvor mithilfe der Technik des maschinellen Lernens erzielt. Bevor Neuroforscher Raspopovic im Herbst 2024 an die Medizinische Universität Wien berufen wurde, entwickelt er mit seinem Team eine App für die automatische Anpassung der Elektroden zur Nervenstimulation, die diese Methode nutzt. Ausgangspunkt waren Daten von 49 Patienten, mit denen ein Algorithmus trainiert wurde. Die Anwender sollten diesen Algorithmus nun mit Unterstützung einer Künstlichen Intelligenz testen. Ziel ist es, die bestmögliche Kombination von Pulslänge und Stromstärke herauszufinden.

In der geplanten klinischen Studie werden die teilnehmenden 84 Diabetiker nur wenige Minuten benötigen, um nach dem Überstreifen der Leia-Sockenprothese von Mynerva per App die Elektroden zu kalibrieren. Eine Neujustierung der Socken soll sogar nur wenige Sekunden dauern. Dieser Zeitgewinn liegt auch an neuen Elektroden, wie Preatoni erläutert: „Wir haben sowohl die Zahl als auch die Größe, die Form und das Material der Elektroden geändert.“ Dadurch genügt eine geringere Intensität der Stimulation, was sich positiv auf deren Wahrnehmung auswirkt. Dass eine geringe Intensität eine weitgehend natürliche Wahrnehmung ermöglicht, hat das Team von Stanisa Raspopovic bereits vor zwei Jahren gezeigt.

Gegenüber gewöhnlichen Socken weist die Prothese einen vergleichbaren Trage- und Pflegekomfort auf. Die kleine Box mit der Batterie, der Kontrolleinheit und dem Stimulator wird vor dem Waschen aus dem Sockenschaft entfernt. In der klinischen Studie wird die Stimulationszeit auf täglich 30 Minuten beschränkt. „Wir haben festgestellt, dass diese Zeit für eine deutliche Verbesserung genügt“, sagt Greta Preatoni.

Stanisa Raspopovic zeigt die Prothese, deren Sensoren an der Unterseite Berührungen registrieren und an das Nervensystem übertragen. · Foto: © ETH Zürich / Daniel Winkler

Nach einer 30-minutigen Stimulation, das belegen erste Testergebnisse, werden für etwa drei Wochen Verbesserungen erzielt. Bei einigen von Diabetes betroffenen Menschen vermindern sich die Schmerzen sogar monatelang, berichtet Preatoni, bei anderen wächst auch die Trittsicherheit für mehrere Wochen.

Abzuwarten bleibt, ob auch eine invasive Nervenstimulation möglich wäre. Daran hält Francesco Petrini, der ehemalige Partner Raspopovics, mit seinem Project Sensars weiter fest.

In einer für 2027 geplanten Studie will er an einem vollständig implantierten System zeigen, wie Hightech-Innensohlen den Druck und die Bewegung eines diabetischen Fußes erfassen und diese per Funk über das implantierte System und die peripheren Nerven zum Areal der Körperwahrnehmung im Gehirn leiten können. ■

Die Prothese mit Gefühl

Es war ein Meilenstein in der Entwicklung sensibler Prothesen: Am 5. Februar 2014 reichte der Däne Dennis Aabo Sørensen dem Neuroingenieur Stanisa Raspopovic seine linke Roboterhand. Die Geste belegte den Erfolg eines Teams aus Neuro- und Computeringenieuren sowie Neurochirurgen unter der Leitung von Raspopovic an der ETH Zürich: Es war gelungen, feine elektrische Ströme aus den Fingersensoren einer Prothesenhand so weiterzuleiten, dass der Träger der künstlichen Gliedmaße deren Bewegung spürte. Die Signale gelangten per Draht zunächst an einen Decoder, der an den Ellen- und Mittelnerv im Oberarm geflanscht war, und von dort weiter durch die Wirbelsäule zur Großhirnrinde – wo sie im Areal der Körperwahrnehmung, dem somatosensorischen Cortex, Gefühle der Berührung auslösten.

Sørensen beschrieb die Wirkung so: „Als die Forscher die Hand erstmals aktivierten, war das unglaublich. Ich konnte wieder spüren, was ich in der Hand hatte, und fühlen, ob etwas rund, hart oder weich ist.“ Und Raspopovic bilanzierte: „Es ist uns gelungen, die Sensoren der Roboterhand mit den Nerven zu verbinden. So können wir sie direkt über die Nervenstimulation mit dem Gehirn kommunizieren lassen.“

Mehr als zehn Jahre lange Grundlagenforschung waren der Entwicklung der Roboterhand vorausgegangen. Ein Ziel dabei war es, die elektrischen Impulse so zu dosieren, dass sie mit den Ionen-Impulsen der Nerven kompatibel sind. Federführend für diese Forschung war an der Universität Barcelona der Spanier Xavier Navarro, zu dessen Team Raspopovic gehörte. Schließlich entwickelte Thomas Stieglitz am Institut für Mikrosystemtechnik der Universität Freiburg eine filigrane mehrkanalige Elektrode, die sich mit den Nervenfasern verknüpfen ließ. Die Forscher zeigten, dass diese Nervenstimulation helfen kann, Phantomschmerzen zu linden.

Die Forschung gipfelte in dem aufsehenerregenden Händedruck einer sensiblen Prothese. Danach testeten die Wissenschaftler die invasive Nervenstimulation erfolgreich an drei weiteren Menschen mit amputierten Händen. Darauf verschafften sie für drei Monate fünf Beinamputierten auch Gehprothesen mit Gefühlen. Doch trotz dieser Machbarkeitsstudien gelang es ihnen nicht, diese invasive Nervenstimulation für klinische Studien weiterzuentwickeln, aus denen dann
ein zertifiziertes Medizinprodukt hervorgegangen wäre. Die Fördergelder reichten nicht aus und Kontakte zu Investoren scheiterten. Es gab Vorbehalte wegen der zu geringen Zahl von Amputierten, die für einen Hersteller der Prothese keine Gewinne erwarten ließ – trotz fast 60 Millionen beinamputierter Menschen weltweit. Die meisten beinamputierten Menschen hätten sich eine solche Prothese nicht leisten können.

Es gab auch medizinische Vorbehalte. So wurde bezweifelt, ob die zwischen den Muskelfasern an die Nerven geführte Elektrode langfristig sicher funktionieren würde. Kritisch sei die Kabelführung durch die Haut vor allem wegen des damit verbundenen Infektionsrisikos. Besser wäre ein vollständig implantierbares System ohne Kabel zwischen Stimulator und Elektrode.

Diesen Weg schlugen Forscher mithilfe der US-amerikanischen Forschungsbehörde Darpa ein. Zwei Handamputierte erhielten in der Brust eine Steuereinheit implantiert, mit der sie ihre Hand mit Tastsinn in den Fingern bewegen konnten. Während einer der beiden Patienten beim Antrag auf die Studie 2024 bereits seit 27 Monaten mit dem Prototyp lebte, musste beim anderen das Implantat wegen einer Infektion nach 15 Wochen wieder entfernt werden. Seither fokussiert sich Raspopovic auf die Entwicklung eines Systems, das auf derselben Technik basiert, aber ohne großen Trainingsaufwand leicht anzuwenden ist – die Sockenprothese für Diabetiker, deren Gefühle in den Füßen schwinden.