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Wearable exoskeleton for knee rehabilitation with Functional Electrical Stimulation

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Verbesserte Knierehabilitation durch intelligentes Exoskelett

Die Rehabilitation nach Knieverletzungen dauert häufig länger als erwartet und liefert enttäuschende Ergebnisse. BELK hat eine tragbare Lösung entworfen, die man zu Hause beim normalen Gehen tragen kann und die sich nur aktiviert, wenn es notwendig wird.

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Knieverletzungen gehören zu den häufigsten Gelenkproblemen und können durch Sport, Verkehrsunfälle, Hirnschäden, Arthrose und andere altersbedingte degenerative Erkrankungen verursacht werden. Die Rehabilitation zielt meist auf die Wiederherstellung des Flexionswinkels des Knies ab, hört jedoch bei 100 ° auf, ohne Beachtung des Gangbildes oder der natürlichen Kniebewegung. Das von der EU unterstützte Projekt BELK hat ein Exoskelett entwickelt, das die Unterstützung an den Bedarf anpasst. Es bietet nur dann proportional Drehkraft, wenn die behandelte Person vom vorprogrammierten erwünschten Bewegungsmuster abweicht. Das Gerät basiert auf einem Algorithmus. Dieser steuert gleichzeitig das Programm zur bedarfsbedingten Unterstützung sowie eine Reihe an Elektroden zur funktionellen Elektrostimulation (FES), die Muskelkontraktionen auslösen. „Diese Steuerung des Kraftfeldes mit integrierter funktioneller Elektrostimulation sorgt für ein natürliches Gangbild“, sagt der Projektkoordinator Carlos Fernandez. „Das System unterstützt die Bewegung nur bei Dehnungen, die behandelte Personen nicht allein bewältigen können. Das führt zu zielgerichteter und intuitiver Rehabilitation. Kommerzielle Alternativen bieten dies nicht.“

Die Exoskelettlösung für ein einzelnes Gelenk

Der Projektträger www.gogoa.eu (Gogoa Mobility Robots) wollte ein tragbares Hilfsmittel für die Knierehabilitation entwerfen, das in der Physiotherapie wie auch eigenständig zu Hause oder unterwegs verwendet werden kann. Die Lösung besteht aus drei Hauptkomponenten: einem robotischen Exoskelett, einer Fernbedienung und einem Datensammler. Das Exoskelett kann einfach und schnell an die Anatomie der behandelten Person angepasst werden und kann in Rückenlage, sitzend oder beim Gehen verwendet werden. BELK wird durch eine Lithium-Batterie angetrieben, die bis zu 4 Stunden durchgängiger Bewegung unterstützt, und kann im Kniegelenk bis zu 35 Nm (Newtonmeter) erzeugen. Das Hilfsmittel selbst wiegt 3 kg und ist für Menschen zwischen 1,50 bis 1,95 m Größe und bis zu 100 kg Körpergewicht geeignet. Die Fernbedienung funktioniert via Bluetooth auf einer Android-App, die auf einem mitgelieferten Tablet vorinstalliert ist. Diese App zeigt Warnungen an, wenn beispielsweise zu viel Kraft aufgewendet wird, sowie den Gerätestatus, wie den Akkustand der Batterie. Die Betriebsmodi ermöglichen die Kontrolle von Parametern wie Geschwindigkeit, Drehmoment und Bewegungsradius. Ein Algorithmus integriert die Möglichkeit der funktionellen Elektrostimulation im Exoskelett. Dadurch kann der auf das Bein ausgeübte mechanische Widerstand verändert werden. Der Datensammler zeigt Informationen an, die vom Dehnmessstreifen des Exoskeletts und einem Codiergerät zum Messen des Gelenkwinkels gesammelt werden. Dadurch kann der Rehabilitationsfortschritt eingeschätzt und die Geräteeinstellungen angepasst werden. Das BELK-System hat erfolgreich klinische Studien in Krankenhäusern in Cruces und Santiago durchlaufen. Die 20 behandelten Personen berichteten, dass das System angenehm ist und sie keine Nebenwirkungen erlitten. Das Gangbild der Teilnehmenden hatte sich nach Ablauf des Behandlungszeitraums verbessert und die Rehabilitationszeit wurde von zwölf auf neun Sitzungen reduziert.

Kosteneffizient und zeitsparend

„Unsere Lösung kann zu Hause verwendet werden und spart somit die Kosten und den Zeitaufwand der Anreise zum Rehabilitationszentrum“, fügt Fernandez hinzu. „Außerdem ist die Fertigung durch unser patentiertes Kabelübertragungssystem kosteneffizient. Dadurch kann das Gerät zu einem ähnlichen Preis wie Alternativen angeboten werden, jedoch mit fortschrittlicheren Funktionen.“ Derzeit wartet Gogoa auf die CE-Kennzeichnung für das Exoskelett, die von der in Spanien zuständigen Arzneimittelagentur ausgestellt wird. Dann wird das Unternehmen das Hilfsmittel auf dem europäischen Markt einführen, bevor es sich für den amerikanischen Markt an die Behörde für Lebensmittel- und Arzneimittelsicherheit wendet.

Schlüsselbegriffe

BELK, Gelenk, Verletzung, Knie, Rehabilitation, Exoskelett, tragbar, Gang

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