Reha mit Roboter

Lähmungserscheinungen, ein nach unten hängender Mundwinkel, plötzlich auftretende Sprachstörungen – wenn diese Symptome auftreten, lautet die Diagnose häufig Schlaganfall. Ein Exoskelett hilft betroffenen Patienten bei der Rehabilitation ihrer Bewegungsfreiheit. Entwickelt hat es das DFKI am Standort Bremen.

 Ausgangslage // Häufigste Ursache für dauerhafte Behinderung

Jede zweite Minute erleidet eine Person in Deutschland einen Schlaganfall – das sind rund 300.000 Personen jährlich. Die Auswirkungen sind für die Betroffenen gravierend, so zählt ein Schlaganfall zur dritthäufigsten Todesursache in Deutschland. Aber auch für die Überlebenden sind die Folgen einschneidend, so ist ein Schlaganfall häufigste Ursache für eine dauerhafte Behinderung. Die Rehabilitation nach einem Schlaganfall ist langwierig, denn teils müssen die Patienten vertraute Bewegungsabläufe komplett neu erlernen. Die Rehabilitation eines Schlaganfallpatienten ist aber nicht nur zeitintensiv und anstrengend für Patienten und Pflegepersonal, es entstehen auch für die Krankenkassen hohe Kosten durch langwierige Therapien.

 

Lösung // Bewegungsabsicht erkennen und umsetzen

Das Robotics Innovation Center der DFKI GmbH hat in Kooperation mit dem Unternehmen rehaworks im Projekt RECUPERA-Reha ein Exoskelett entwickelt, welches Patienten bei der Rehabilitation nach einem Schlaganfall unterstützt. Die Herausforderung: Das System muss Bewegungsabsichten der Patienten erkennen und direkt umsetzen, um sie dabei erfolgreich zu unterstützen. Die Künstliche Intelligenz, die bei der Programmierung in der Rehabilitationsrobotik angewandt wird, fußt auf fortschrittlichster Signalverarbeitung und maschinellem Lernen, denn das System muss Bewegungsintentionen erkennen und direkt umsetzen. Zudem sind die Anforderungen an Sicherheit, Ergonomie und Steuerung, die sich aus dem engen Zusammenspiel von Roboter und Mensch ergeben, extrem hoch. Darüber hinaus wurden Expertenwissen und die verschiedensten Methoden aus den Feldern des Leichtbaus, der Antriebstechnologie und der Regelungstechnik für die Konstruktion des Skeletts herangezogen.

Angelehnt an rehabilitative Therapieansätze, wie beispielsweise repetitives Training oder Spiegeltherapie lässt sich das Exoskelett auf drei verschiedene Weisen bedienen:

  1. Master-Slave-Mode: Hebt ein Patient seinen nicht betroffene Arm, führt der in der Bewegung eingeschränkte Arm die gleiche Bewegung aus. So werden beidseitige Bewegungen trainiert. Dies stimuliert die eigene Körperwahrnehmung, wie bei der klassischen Spiegeltherapie.
  2. Teach-in-and-Replay Mode: Beliebige Bewegungsabläufe oder einzelnen Sequenzen werden von einem Therapeuten einprogrammiert und ermöglichen Patienten, Bewegungen repetitiv selbständig zu trainieren. Dieser Modus kann optional mit der Auswertung von Elektroenzephalografie- und Elektromyografie-Signalen (EEG/EMG) des Patienten kombiniert werden, um die Bewegungsabsicht des Patienten als Trigger für den Bewegungsstart zu nutzen.
  3. Free-Running-Mode: Unter „Ausschluss“ der Schwerkraft können Patienten selbstbestimmt beliebige Bewegungen machen. Das Exoskelett kompensiert dabei sein Eigengewicht und teils oder sogar komplett das Gewicht des Patientenarms: Geringste Restmuskelaktivitäten reichen, um mit Unterstützung des Exoskeletts den Arm wieder eigenständig zu bewegen.

 

Ergebnis // Wirksame Therapieergänzung

Das Exoskelett kann beim Neuerlenen von täglichen Bewegungsabläufen helfen und so das therapeutische Personal unterstützen. So ermöglicht es den Patienten bei unterschiedlicher Schwere der Lähmungserscheinungen, weitestgehend selbständig eine Bandbreite unterschiedlicher therapeutischer Übungen durchzuführen. Das entlastet Therapeuten bei körperlich anstrengenden und zeitlich intensiven Therapiemaßnahmen. Das Oberkörper-Exoskelett kann am Rollstuhl angebracht werden und ist somit auch mobil einsetzbar. Ein großer Vorteil der robotergestützten Rehabilitationstherapie liegt darin, dass Patienten selbstbestimmter und intensiver trainieren können, sodass es im besten Fall auch zu einer Verkürzung der Rehabilitationszeit kommen kann.

 

Perspektive // Leichter und Flexibler

Das für den Oberkörper konstruierte Exoskelett kann auf mittelfristige Sicht in der Rehabilitationstherapie eingesetzt werden und in einer weiteren Entwicklungsstufe soll es auch eigenständig vom Patienten zu Hause genutzt werden können. Darüber hinaus entwickeln die Forschenden derzeit ein Ganzkörper-Exoskelett, welches das gesamte Bewegungsspektrum des Menschen abdeckt. Besondere Herausforderung hier: Das System muss sich selbst tragen und energieautark agieren können. Langfristiges Entwicklungsziel in der robotergestützten Rehabilitationstherapie insgesamt ist es, die Exoskelette in den kommenden Jahren so weiterzuentwickeln, dass sie leichter werden und noch flexibler einsetzbar sind.

KI Akteur
DFKI GmbH
Am Bremer Standort betreibt das DFKI das Robotics Innovation Center und die Cyber-Physical-Systems. Die Standortleitung liegt bei Herrn Prof. Dr. Frank Kirchner. zum KI Akteur