Mobiles Exoskelett für Schlaganfallpatienten

Das Exoskelett-Teilsystem (DFKI GmbH, Foto: Annemarie Popp)

Ein tragbares Exoskelett für die Oberkörperassistenz haben Wissenschaftler im Rahmen des jetzt abgeschlossenen Projektes RECUPERA-Reha entwickelt. Das Exoskelett soll Patienten dabei helfen, sich nach einem Schlaganfall wieder zu bewegen. Im Rahmen des Projektes haben das Robotics Innovation Center des Deutschen Forschungszentrums für Künstliche Intelligenz (DFKI) unter Leitung von Prof. Dr. Dr. h. c. Frank und die rehaworks GmbH zusammengearbeitet.

Über drei Jahre arbeitete ein interdisziplinäres Forscherteam des DFKI an der Konzeption eines innovativen tragbaren Ganzkörper-Exoskeletts zur äußeren Unterstützung des menschlichen Bewegungsapparates. Auf Basis dieser Erkenntnisse wurde das robotische Teilsystem entwickelt. Es soll mittelfristig in der medizinischen Rehabilitation eingesetzt werden. „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 Ganzkörper-Exoskelett erfasst den Wissenschaftlern zufolge 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. Zum Aufbau der Exoskelette nutzten die Forscher innovative Methoden im Leichtbau sowie in der Antriebstechnologie und Regelungstechnik. Die mechatronischen Ansätze kombinierten sie mit einem neuen System zur Online-Auswertung von Elektroenzephalografie- und Elektromyografie-Signalen (EEG-/EMG-Signalen). Dadurch wird eine Einschätzung des Zustands des Patienten sowie eine mehrstufige Unterstützung der Regelung möglich. Der Verbundpartner rehaworks GmbH überprüfte kontinuierlich, ob die im Rahmen des Projekts entwickelten Systeme die Anforderungen an medizinische Geräte erfüllen.

Steuerungen nach Maß

Für das robotische Teilsystem haben die Wissenschaftler verschiedene Ansätze der rehabilitativen Therapie untersucht und im Rahmen einer Anwenderstudie mit Schlaganfallpatienten unter die Lupe genommen. Der Patient im Exoskelett oder ein Helfer kann das System betätigen und zwischen drei verschiedenen Steuerungsmodi wählen: Im ersten Modus lässt sich durch die Bewegung des einen Armes der andere Arm mitbewegen. Dieser führt exakt die gleiche Bewegung aus, wie der vom Patienten bewegte Arm. Auf diese Weise ist das Exoskelett für eine Spiegeltherapie einsetzbar. Der zweite Modus ermöglicht die Steuerung der Bewegung. Diese Bewegung wurde zuvor vom Therapeuten durch Führung eintrainiert und kann mit Hilfe der Steuerung im Sinne einer repetitiven Therapie beliebig oft ausgeführt werden. Im dritten Modus kann das Exoskelett auf Basis der Muskelaktivität des Patienten (die bei dieser Patientengruppe noch geringfügig vorhanden ist) gesteuert werden. Das erfolgt durch die Messung der Elektromyografie-Signale (EMG-Signale), woraus das System die Bewegungsabsicht des Patienten ableiten und ihn in seinen Bewegungsabläufen intuitiv unterstützen kann.

„Mit RECUPERA-Reha ist es uns gelungen, einen neuen Weg in der Mensch-Roboter-Interaktion einzuschlagen, der zu einer nachhaltigen Verbesserung der Rehabilitation führen kann“, sagt Professor Frank Kirchner. Die Forscher hoffen, die Exoskelette in den kommenden Jahren noch weiterentwickeln zu können, zum Beispiel um sie noch leichter leichter und flexibler zu machen und gleichzeitig im Bedarfsfall noch mehr Unterstützung zu bieten.  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.