Tragbares Exoskelett: Schlaganfallpatienten können sich wieder bewegen

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Robotische Systeme in der Rehabilitation spielen eine immer größere Rolle. Jetzt gelang der Durchbruch auf dem Gebiet der Rehabilitationsrobotik: ein Exoskelett für den Oberkörper.

Über drei Jahre arbeitete ein interdisziplinäres Forscherteam unter Leitung von Prof. Dr. Dr. h. c. Frank Kirchner des Deutschen Forschungszentrums für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Bremen an der Konzeption eines tragbaren Ganzkörper-Exoskeletts, um den menschlichen Bewegungsapparat zu unterstützen. Darauf aufbauend entwickelten die Wissenschaftler ein in der medizinischen Rehabilitation mittelfristig einsetzbares robotisches Teilsystem.

Als ein mögliches Anwendungsszenario wählten die Bremer Wissenschaftler die Therapie bei Schlaganfallpatienten. Hierbei konnten sie zeigen, dass Exoskelette dabei helfen, klassische Therapiemaßnahmen umzusetzen. Das kann beispielsweise eine Anwendung des „Assistive Daily Living“ sein, wie das Greifen und Heben von Objekten.

Exoskelett unterstützt beim Training

„Nach einem Schlaganfall hilft physiologisches Training, das den Menschen an bestimmte Bewegungen wieder heranführt. Nur so können gesunde Bereiche des Gehirns die Funktionen der zerstörten Bereiche übernehmen. Unsere Exoskelette ermöglichen Patienten intensives und nachhaltiges Training, wodurch sie verlorengegangene motorische Fähigkeiten wiedererlangen können“, erklärt Neurobiologin und Projektleiterin Dr. Elsa Andrea Kirchner.

Das entwickelte Ganzkörper-Exoskelett erfasst kinematisch annähernd den gesamten Bewegungsraum des menschlichen Körpers. Die Oberkörperkonstruktion dient dabei der Rehabilitation, die von der flexiblen Beinkonstruktion getragen wird. Im Gegensatz dazu trägt sich das Teilsystem nicht selbst, sondern ist an einen Rollstuhl befestigt.

Leichtbau mit Antriebstechnik kombiniert

Zum Aufbau der Exoskelette kombinierten die DFKI-Wissenschaftler Methoden aus dem Leichtbau mit der Antriebs- und Regelungstechnik. Die mechatronischen Ansätze kombinierten sie mit einem neuen System zur Online-Auswertung von Elektroenzephalografie- und Elektromyografie-Signalen (EEG-/EMG-Signalen), wodurch eine Einschätzung des Zustands des Patienten sowie eine mehrstufige Unterstützung der Regelung möglich sind. Der Verbundpartner rehaworks GmbH betrachtete im Rahmen des Projekts die Anforderungen an medizinische Geräte und evaluierte dahingehend kontinuierlich die Systeme.

Für das robotische Teilsystem untersuchten die Forscher verschiedene Ansätze der rehabilitativen Therapie, die sie im Rahmen einer Anwenderstudie mit Schlaganfallpatienten evaluierten. Der Patient im Exoskelett oder eine dritte Person können das System betätigen und zwischen drei verschiedenen Steuerungsmodi wählen: Im ersten Modus lässt sich durch die Bewegung eines Armes, der andere mitbewegen – dieser führt dann exakt die gleiche Bewegung aus, wie der vom Patienten bewegte Arm.

Elektromyografie-Signale messen

Auf diese Weise ist das Exoskelett für eine Spiegeltherapie einsetzbar, die nicht nur visuelle, sondern auch propriozeptive Stimulation bietet, also die Stimulation der eigenen Körperwahrnehmung. Der zweite Modus steuert die Bewegung, welche von einer dritten Person, beispielsweise eines Therapeuten, durch Führung eintrainiert wurde und so im Sinne einer repetitiven Therapie beliebig oft ausführbar ist.

Im dritten Modus kann das Exoskelett auf Basis der Muskelaktivität des Patienten, die bei der Patientengruppe noch geringfügig vorhanden ist, gesteuert werden. Dazu werden die Elektromyografie-Signale gemessen (EMG-Signale), woraus das System die Bewegungsabsicht des Patienten ableiten und ihn in seinen Bewegungsabläufen intuitiv unterstützen kann.

Das Forschungsprojekt wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Projektträger Softwaresysteme und Wissenstechnologien (PT-SW) des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) mit knapp drei Millionen Euro gefördert.

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