Künstliche Intelligenz und Robotik in der
Neuro­chirurgie

Hintergrund

Vor rund 15 Jahren entstand die Idee, Menschen mit hoher Querschnittslähmung mithilfe einer Hirnschnittstelle die Kontrolle über einen Roboterarm zu ermöglichen. Die Ursprünge dieses wegweisenden Projekts liegen im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), wo die Grundidee und das erste Pionierexperiment entwickelt wurden. Hier war damals Prof. Dr. ing. Sami Haddadin tätig, welcher nun in Zusammenarbeit mit uns an einem neuen Projekt arbeitet.

In den mittleren 2000er Jahren stieß das Team um Prof. Dr. ing. Haddadin auf die Erkenntnis, dass sich eine Computermaus über ein Hirnimplantat steuern lässt. Dies weckte die Neugierde von Experten, die sich schon damals die Frage stellten, wie Robotik über das menschliche Gehirn gesteuert werden kann, um beispielsweise Menschen mit Behinderungen die Fähigkeit zu geben, einen Roboterarm zu nutzen und so ihre Unabhängigkeit zu fördern.

Die erste Studie zu diesem Thema wurde vor über einem Jahrzehnt veröffentlicht. Zu dieser Zeit standen jedoch nur rudimentäre Methoden der Künstlichen Intelligenz (KI) zur Verfügung, und es mangelte an Unterstützung von medizinischer Seite.

Im Jahr 2018 erfolgte Prof. Dr. ing. Haddadins Berufung an die Technische Universität München, und hier trafen sich die Fäden des Projekts. Unser Direktor der neurochirurgischen Abteilung, Prof. Dr. Bernhard Meyer und Prof. Dr. Simon Jacob, Leiter des Lehrstuhl für Translationale Neurotechnologie, schlossen sich rasch mit Prof. Dr. ing. Haddadin zusammen. Das Trio formt seither ein einzigartiges Team, das das Ziel verfolgt, das Projekt von der Forschung in die klinische Anwendung zu überführen.

"Unsere Vision ist es, durch die Implantation einer Hirnschnittstelle die Lebensqualität von Menschen mit Querschnittslähmung nachhaltig zu verbessern. Die Möglichkeit, einen Roboterarm präzise zu steuern, eröffnet nicht nur die Aussicht auf mehr Unabhängigkeit, sondern auch auf eine bedeutende Verbesserung der täglichen Lebensführung für betroffene Personen"

Mit den fortgeschrittenen Methoden der Künstlichen Intelligenz und der Unterstützung durch medizinische Experten sind wir nun einen entscheidenden Schritt näher an der Realisierung dieses ehrgeizigen Ziels. Wir blicken in eine mögliche Zukunft, in der die Implantation einer Hirnschnittstelle Menschen mit Querschnittslähmung eine bisher ungeahnte Perspektive auf ein selbstbestimmtes Leben eröffnen könnte.

Forschungsziele und aktueller Forschungsstand

Wir verwenden eine etablierte Schnittstelle, die bereits in Studien zur Aphasie Anwendung fand. Die Patientin aus dieser Studie, welche bei Prof. Dr. Jacob in regelmäßiger Behandlung ist, trägt die Schnittstelle seit einem Jahr beschwerdefrei. Mit einem validierten Sicherheitsprofil, das über 20 Jahre hinweg entwickelt wurde, und den Erkenntnissen aus anderen Forschungsbereichen, insbesondere der Aphasieforschung, sind die Forscher gut gerüstet für die nächste Etappe. 

Die dafür geplanten Roboterarme sind fertig und einsatzbereit. Der Fokus liegt nun darauf, die optimale Position für das Implantat zu bestimmen und effiziente Daten zu generieren, die in Methoden der künstlichen Intelligenz umgesetzt werden können. Wir stehen vor Fragen wie: Wie schaffen wir den Ringschluss zwischen den neuronalen Daten der Menschen, den Signalen zur Robotersteuerung, der Messung des Roboters und seiner Rückkopplung?

Bei den Herausforderungen spielen auch die sensorischen Fähigkeiten des Roboters eine entscheidende Rolle, sei es durch den "Tastsinn", interne Messungen oder Kameradaten, um präzise Informationen für die Steuerung des Greifprozesses zu liefern.

Bevor der Roboterarm Bewegungen ausführt, müssen zunächst neuronale Daten gemessen werden. Das bedeutet, dass wir zuerst Einblicke in die Aktivität des Gehirns erhalten, noch bevor eine physische Bewegung stattfindet. Unser Ziel ist es, dass der Roboterarm verzögerungsfrei, präzise, sicher und so natürlich wie möglich agiert. Die Patient*innen sollen in der Lage sein, die Maschine mit der gleichen Intuition und Kontrolle zu steuern, als wäre sie ein natürlicher Teil ihres eigenen Körpers.

Dafür werden seit mehreren Jahren motorische Muster von verschiedenen Menschen getestet. Die Daten werden in die KI integriert und diese damit trainiert, um den Roboterarm dementsprechend zu steuern.

Patientenrekrutierung

Aktuell werden Freiwillige gesucht, die als Exempel für die Studie dienen können. Die ideale Kandidatin oder der ideale Kandidat sollte aufgrund eines Unfalls in jungen Jahren vom Hals abwärts querschnittsgelähmt sein, jedoch ansonsten körperlich und geistig gesund. Motivation ist ein Schlüsselfaktor, da die Experimente zeitintensiv und geduldig durchgeführt werden müssen.

Die Bereitschaft zu einem chirurgischen Eingriff ist ebenfalls erforderlich. Bei diesem Eingriff werden Elektroden direkt an der Gehirnoberfläche implantieren – an einer zuvor sorgfältig kartografierten Stelle. Dieser Schritt ist entscheidend für die präzise Steuerung des Roboters durch das menschliche Gehirn. Die Sicherheit und das Wohlbefinden der Teilnehmer stehen dabei stets im Vordergrund.

Jeder chirurgische Eingriff birgt Risiken, dennoch sind diese gemäß unserer Erfahrungen sehr überschaubar. 

Um die Sicherheit der Eingriffe weiter zu gewährleisten, haben wir Elektroden während verschiedener neurochirurgischer Operationen testweise implantiert und anschließend wieder entfernt. Diese kontrollierten Tests haben dazu beigetragen, das Verfahren zu verfeinern und potenzielle Risiken zu minimieren.

Datensammlung mittels transkraniellem nTMS-Mapping
Der Forschungsprozess beginnt mit der nicht-invasiven Messung der Hirnfunktionen der Teilnehmerin oder des Teilnehmers. Anschließend wird die Implantation der Elektroden sorgfältig geplant und durchgeführt. Nach diesem Schritt erfolgen die ersten Ableitungen, bevor eine Verbindung zum Gesamtsystem hergestellt wird. Zwischen den einzelnen Phasen werden bedeutende Zeitspannen liegen, da eine umfangreiche Menge an Daten gesammelt wird, aus denen die essentiellen Informationen extrahiert werden müssen.

Weiterer Ablauf und Dauer der Studie

Die voraussichtliche Dauer der Studie wird auf etwa fünf Jahre geschätzt. Aufgrund der neuartigen Natur der Forschung lässt sich der Prozess nicht vollständig im Voraus planen. Dennoch wird jeder Schritt äußerst kontrolliert ablaufen, um höchste Sicherheitsstandards zu gewährleisten. Sollte zu irgendeinem Zeitpunkt der Eindruck entstehen, dass die Sicherheit der Teilnehmerin oder des Teilnehmers gefährdet ist, besteht die Möglichkeit, die Implantation reversibel rückgängig zu machen. Dies unterstreicht die Sorgfalt und Verantwortung, die dem Schutz der Patientensicherheit während des gesamten Forschungsverlaufs zugrunde liegen.

Unsere Pionierarbeit erstreckt sich nicht nur auf die wissenschaftliche Gemeinschaft, sondern auch auf die Menschen, die sich dazu entscheiden, an dieser wegweisenden Forschung teilzunehmen. Diese individuellen Beiträge sind entscheidend für den Erfolg und die Entwicklung von neuen Ansätzen in der neurologischen Forschung und Robotik.


Wie kann ich mich zur Teilnahme des Projektes als Patient*in bewerben?

Wer Interesse hat, schreibt uns einfach eine Email an: aid-studie@mri.tum.de