Ein Exoskelett für Querschnittsgelähmte
Eine Rückenmarkverletzung kann zu einer Querschnittslähmung, einem Verlust der Beweglichkeit im unteren Teil des Körpers, führen. Jüngste Forschungsanstrengungen zur Behandlung von Rückenmarkverletzungen und Wiederherstellung von Teilbewegungen haben zur Entwicklung von assistiven Exoskeletten geführt. In Anbetracht der Tatsache, dass die aktive Einbeziehung des neuromuskulären Systems bei Rückenmarkpatienten die motorische Erholung fördern könnte, müssen die Exoskelette sowohl auf den Benutzer als auch auf die Umwelt reagieren können. Das EU-finanzierte Projekt Symbitron war eine vierjährige Initiative zur Entwicklung eines sicheren, biologisch inspirierten, personalisierten, tragbaren Exoskeletts. „Unser Hauptziel war es, Patienten mit einer Rückenmarkverletzung das Gehen ohne zusätzliche Hilfe zu ermöglichen, indem wir ihre verbleibende motorische Funktion ergänzen“, erklärt Projektkoordinator Prof. Herman van der Kooij. Ein patientenorientiertes Design Das Exoskelett von Symbitron basiert auf einer vollständig maßgeschneiderten Lösung, die die einzigartigen Restkapazitäten jedes einzelnen Patienten ergänzt. Das Design war einzigartig, da es die physiologische neuromuskuläre Funktionalität repliziert und gleichzeitig die verbleibende menschliche Funktionalität nahtlos integriert. Die Forscher setzten dynamische Modelle der Muskeln der unteren Gliedmaßen ein, um den Gang von Rückenmarkpatienten zu unterstützen, indem sie das menschliche Verhalten durch Gelenkkinematik, kinetische Maßnahmen und Muskelaktivierungen nachbildeten. Die Modelle basierten auf klinischen Daten von gesunden Probanden und Rückenmarkpatienten. Das entwickelte Steuerelement für das Exoskelett benötigte nur sehr wenige Eingaben zu Gelenkwinkeln, Stand- und Schwungerkennung, um das Gehen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Bodenbeschaffenheiten zu simulieren. Es zeigte sich auch robust gegen Störungen und Umwelteinflüsse. Neben einer umfassenden Optimierung des Designs und der Steuerung wurde besonderes Augenmerk auf die bidirektionale symbiotische Mensch-Maschine-Interaktion der tragbaren Exoskelette gelegt. Das modulare Exoskelett kann mit verschiedenen Konfigurationen, nämlich nur Knöchelstütze, Knöchel-Knie-Stütze oder Knöchel-Knie-Hüft-Stütze, an die Größe und Fähigkeiten verschiedener Probanden angepasst werden. Es ist auch möglich, nur ein Bein oder beide Beine zu stützen. Darüber hinaus wird die elektronische und mechanische Modularität von der jeweiligen Software automatisch erkannt, um die Leistung an die spezifischen Bedürfnisse des Anwenders anzupassen. Klinische Auswirkungen Um den klinischen Nachweis der Sicherheit und Funktionalität des Systems zu erbringen, entwickelte das Symbitron-Konsortium eine Trainingsumgebung und Trainingsprotokolle für Rückenmarkpatienten und deren Klinikärzte. Das Projekt betrachtete Personen mit partieller Rückenmarkverletzung, die nur am Knöchel oder am Knöchel und Knie unterstützt werden mussten, und Personen mit vollständiger Rückenmarkverletzung, die eine volle Unterstützung beider Beine benötigten. „Klinische Tests haben gezeigt, dass Hard- und Software an die spezifischen Eigenschaften dieser Personen angepasst werden könnten, was die Machbarkeit unseres einzigartigen Ansatzes belegt“, betont Prof. van der Kooij. Wichtig ist, dass die biologisch inspirierten Steuerelemente – im Gegensatz zu herkömmlichen Ansätzen – variable Gangbilder in Bezug auf Geschwindigkeit und Schrittlänge zulassen. Die Ergebnisse waren sehr vielversprechend, da alle Personen mit einer partiellen Rückenmarkverletzung ihre Gehgeschwindigkeit und/oder ihr Gleichgewicht während des Trainings verbessern und zwei Personen mit vollständiger Querschnittslähmung wieder laufen konnten. In einigen Fällen zeigte sich nach dem Training mit den Symbitron-Vorrichtungen ein Rehabilitationseffekt, auch wenn die Probanden das Exoskelett nicht verwendeten. Eine psychometrische Analyse hat auch die Zufriedenheit und die Motivation der Patienten, sich weiter zu verbessern, bestätigt. Prof. van der Kooij ist zuversichtlich, dass „obwohl die klinischen Ergebnisse noch vorläufig sind, das Training mit den Symbitron-Geräten das Gehen von Personen, die noch eine Restfunktion haben, zu verbessern scheint.“ Dies deutet darauf hin, dass die Unterstützung durch den Symbitron-Ansatz über Rückenmarkpatienten hinausgehen könnte, etwa bei der Rehabilitation von Schlaganfallpatienten.
Schlüsselbegriffe
Symbitron, Rückenmarkverletzung, Exoskelett, Rehabilitation, Steuerelement