Europäischer Erfinderpreis

Prothesen für das 21. Jahrhundert

David Gow, inventor of the world’s first bionic hand

David Gow, Erfinder der weltweit ersten bionischen Hand

Eine Folge der Fernsehsendung „Tomorrow's World" der BBC veranlasste David Gow dazu, seinen Arbeitsplatz bei einem schottischen Rüstungsunternehmen zu kündigen. In der 1980 gesendeten Folge ging es um Wissenschaftler, die elektrisch angetriebene künstliche Gliedmaßen entwickelten. Die Sendung ließ die Faszination für Prothesen wieder aufleben, die Gow bereits als Maschinenbaustudent empfunden hatte, als er Entwürfe für bionische Arme und Beine zeichnete.

Heute hat sich Gow als Erfinder einer der weltweit innovativsten, patentierten Prothesen einen Namen gemacht.

Prosthetic hand

Jahrzehntelanges Engagement

Angeborene Gliedmaßendefekte und der Verlust eines Arms oder Beins bei einem Unfall bedeuten für die Betroffenen oft eine erhebliche Beeinträchtigung im Alltag. Dank technologischer Fortschritte in Bezug auf Komponenten und Materialien sind Prothesen heute jedoch leichter und stabiler als je zuvor.

Außerdem profitieren Prothesenträger auf der ganzen Welt in hohem Maße vom genialen Erfindungsgeist von Menschen wie David Gow und können damit ein aktiveres, unabhängigeres Leben führen.

Nach seinem Studienabschluss an der University of Edinburgh im Jahr 1979 und einer kurzen Anstellung bei einem Rüstungsunternehmen bewarb sich Gow 1981 um eine Ingenieursstelle beim Bioengineering Centre des Princess Margaret Rose Hospital in Edinburgh.

Mehr als zehn Jahre Engagement und harte Arbeit beim Bioengineering Centre wurden schließlich belohnt: 1993 fand eine Teilhandprothese und 1998 die weltweit erste elektrisch angetriebene Schulter internationale Anerkennung.

Gow hat sich als der Erfinder einer der weltweit innovativsten, patentierten Prothesen einen Namen gemacht.

Entwicklung einer funktionsfähigen Handprothese

Anfang 2003 gründete Gow das Unternehmen Touch EMAS. Die Umwandlung von einer öffentlichen Einrichtung innerhalb des Scottish National Health Service (staatlicher Gesundheitsdienst) in ein Privatunternehmen ermöglichte es ihm, Risikokapital für weitere Forschungstätigkeiten zu erhalten. 2005 firmierte das Unternehmen in Touch Bionics um und präsentierte 2007 die weltweit erste bionische Hand, die jeden Finger einzeln bewegen kann - die i-LIMB-Hand.

Die i-LIMB-Hand wird durch die elektrischen Signale gesteuert, die der Träger durch Muskelbewegungen im Armstumpf erzeugt. Dieses Prinzip wurde erstmals im Jahr 1964 von russischen Wissenschaftlern vermarktet.

Wenn der Träger der i-LIMB-Hand einen Muskel anspannt, werden schwache elektrische Signale erzeugt und von Elektroden in der Hand der Prothese aufgenommen. Die Elektroden interpretieren die Signale und aktivieren die entsprechenden Motoren, um die gewünschte Handbewegung zu erzielen. Das Gehäuse aus leichtem Aluminium kann mit einem hautähnlichen Material überzogen werden, das an die natürliche Hautfarbe des Trägers angepasst ist.

Im Jahr 2008 zeichnete das Time Magazine die i-LIMB-Hand als eine der 50 wichtigsten Erfindungen des Jahres aus.

Modulare Motorik

Entsprechend der herkömmlichen Methode verwendete Gow zunächst ein zentralisiertes Motorsystem zur Steuerung der vielen verschiedenen Gesten und Bewegungen, die eine Handprothese ausführen muss. Dieser Ansatz wurde jedoch seiner Vision nicht gerecht und erlaubte nicht die differenzierten Bewegungen und Beweglichkeit, die nötig sind, damit jeder einzelne Finger bewegt werden kann. Darüber hinaus kann die Größe eines zentralisierten Motors kaum so weit reduziert werden, dass er in eine Handprothese für ein Kind passt.

Der Durchbruch gelang Gow, als er sich vom Konzept eines zentralisierten Motorsystems vollständig löste und stattdessen beschloss, jeden einzelnen Finger mit einem eigenen Motor auszustatten.

Bewegungsfreiheit zum Greifen nah

Die Träger der modular aufgebauten i-LIMB-Hand können mit ihrer Handprothese sehr viel mehr verschiedene Griffmuster ausführen. Durch die Beweglichkeit jedes einzelnen Fingers ermöglicht die Handprothese Griffmuster, die zuvor nicht erreicht werden konnten.

Gows Erfindung stellt eine erhebliche Verbesserung gegenüber früheren Prothesen dar, die aufgrund ihrer begrenzten Funktionalität oft schwerfällig und relativ auffällig waren.

„Wir haben die Grenze durchbrochen, die eine künstliche Hand zu einem medizinischen Gerät reduziert hat", so Gow.

Gows neuartiger, modularer Ansatz war zwar mit neuen Herausforderungen im Zusammenhang mit dem Antrieb, der Konzeption des Motors und der erforderlichen speziellen Steuerungssoftware verbunden, dennoch stieß sein innovatives Design auf sehr positive Resonanz. Touch Bionics verzeichnete im Zeitraum von 2008 bis 2009 ein Wachstum von über 100 %, und die i-LIMB-Hand wurde in nur drei Jahren mehr als 1.400 Patienten weltweit angepasst.

Einer dieser Patienten und Träger einer i-LIMB-Hand ist Donald McKillop. Er hatte seinen rechten Arm vor 35 Jahren bei einem Unfall verloren und gehörte zu den ersten Patienten, denen 2007 eine i-LIMB-Hand angepasst wurde. Die Auswirkungen der i-LIMB-Hand auf sein Leben beschreibt er mit einfachen Worten: „Ich hätte nicht gedacht, dass ich jemals wieder eine solche Hand haben würde."

„Wir haben die Grenze durchbrochen, die eine künstliche Hand zu einem medizinischen Gerät reduziert hat.“

Internationale Anerkennung

Gows Technologie fand bald internationale Anerkennung. Im Jahr 2008 zeichnete das Time Magazine die i-LIMB-Hand als eine der 50 wichtigsten Erfindungen des Jahres aus. Seitdem hat Touch Bionics bionische Finger entwickelt und das US-amerikanische Unternehmen LIVINGSKIN übernommen, einen Spezialisten für hoch realistische Silikon-Armprothesen.

Während Touch Bionics mit rund 500 verkauften i-LIMB-Händen pro Jahr in diesem speziellen Marktsegment für Prothesen führend ist, brachte ein anderes britisches Unternehmen - RSLSteeper - im November eine eigene bionische Hand auf den Markt, die eigenen Angaben des Unternehmens zufolge zu den fortschrittlichsten weltweit zählt.

Außerdem beteiligen sich noch die deutschen Prothesenhersteller Otto Bock und Vincent Systems am Wettbewerb um die geschätzten 4.000 bis 5.000 Handprothesen, die jedes Jahr in der Europäischen Union, Nordamerika und Japan verkauft werden.

Daher war es von zentraler Bedeutung, Gows technologische Errungenschaft durch ein Patent zu schützen. „Der Patentierungsprozess, den wir in den letzten zehn bis zwölf Jahren durchlaufen haben, hat maßgeblich dazu beigetragen, die i-LIMB-Hand für die Zukunft zu schützen und sicherzustellen, dass das Unternehmen sie vermarkten konnte", so Gow.

„Der Patentierungs- prozess, den wir in den letzten zehn bis zwölf Jahren durchlaufen haben, hat maßgeblich dazu beigetragen die i-LIMB-Hand für die Zukunft zu schützen.“

Großes Engagement

David Gow verließ Touch Bionics im Jahr 2009 und wurde Leiter von SMART Services bei NHS Lothian, wo er für die rehabilitationstechnischen Dienste für Südostschottland verantwortlich ist. Seine Erfindung hat weiterhin Einfluss auf die von Touch Bionics entwickelte Technologie und auf die Patienten, deren Lebensqualität dadurch verbessert wurde.

„Ich habe während meiner beruflichen Laufbahn etwas entwickelt, was den Menschen wirklich hilft - nicht nur in der Theorie, sondern in der Praxis. Das ist ein sehr gutes Gefühl", erklärt Gow.


Prosthetic hand

Funktionsweise

Es werden drei Gruppen künstlicher Gliedmaßen unterschieden: kosmetische, Eigenkraft- und myoelektrische Prothesen.

Nur die beiden letztgenannten sind funktionelle Prothesen, die aktiv bewegt und vom Träger genutzt werden können. Eigenkraftprothesen oder zugbetätigte Prothesen werden für die oberen Gliedmaßen verwendet und mit einer Schiene am Körper befestigt. Die Hand öffnet und schließt über einen Kraftzug, der eine physische Bewegung der Prothese auslöst.

Myoelektrische Prothesen erfordern dagegen ein Motorsystem, Antriebe und eine Energiequelle für die Bewegung, was zur Folge hat, dass die Prothesen um einiges schwerer sind als kosmetische oder Eigenkraftprothesen.

Gow hatte die bahnbrechende Idee, das Motorsystem in einer Handprothese modular aufzubauen, anstatt einen einzigen zentralisierten Motor zu verwenden. Jeder Finger verfügt über ein eigenständiges Modul mit einem Gleichstrommotor (DC-Motor), der elektrische Energie aus einer integrierten Batterie bezieht, um Drehbewegungen zu erzeugen.

Außerdem ermöglicht ein innovatives Antriebssystem komplexe Greifbewegungen und schnelle Bewegungsabläufe. Aufgrund eines integrierten Systems für Drucksensibilität erkennt die Prothese, wann jeder Finger genügend Druck aufwendet, und stoppt die betreffenden Motoren; damit wird ein weiterer Energieverbrauch vermieden und die Batterielaufzeit erhöht.

Der Träger der Prothese wird darin geschult, über Muskelbewegungen im Armstumpf elektrische Impulse zu erzeugen, die von Elektroden auf der Haut abgenommen werden. Für verschiedene Griffmuster lassen sich unterschiedliche Impulskombinationen programmieren, sodass der Patient die komplexen Bewegungen der Prothese steuern kann.

„Ich hätte nicht gedacht, dass ich jemals wieder eine solche Hand haben würde.“

Wichtige Griffmuster

Die folgenden wichtigen Griffmuster werden unterschieden: ein „Schlüsselgriff", der Daumen und Zeigefinger zusammenbringt und den Patienten in die Lage versetzt, z. B. eine Kreditkarte aufzunehmen oder einen Schlüssel im Schloss umzudrehen; ein „Kraftgriff" zum Greifen von großen oder unregelmäßig geformten Gegenständen; ein „Präzisionsgriff" für Aufgaben, die eine genaue Kontrolle der Fingerbewegungen erfordern, wie das Greifen sehr kleiner Gegenstände; ein Muster „Zeigefinger" zur isolierten Streckung eines einzelnen Fingers, mit dem eine Tastatur oder ein Bankautomat bedient werden kann; sowie ein Muster „Daumen parken", bei dem der Daumen seitlich an der gestreckten Hand anliegt, sodass der Träger der Prothese z. B. ein Hemd anziehen kann.

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