Hirn an Roboter: «Bitte bewegen!»
Mit Gedanken einen Roboter steuern, der die gel?hmte Hand führt: Ein Projekt aus dem ETH-Labor für Rehabilitationstechnik k?nnte Therapie und Alltag für Schlaganfallpatienten grundlegend ver?ndern.
Schlaganfall. Dieser Schicksalsschlag widerf?hrt jedem sechsten Menschen im Laufe seines Lebens. Allein in der Schweiz sind es 16 000 Menschen pro Jahr. Zwei Drittel der Betroffenen erleiden eine Arml?hmung. In einem aufw?ndigen Training k?nnen Patientinnen und Patienten – je nach Schwere der Hirnsch?digung – die Kontrolle über den Arm und die Hand bis zu einem gewissen Grad wiedererlangen. Das kann eine klassische Physio- und Ergotherapie sein, es k?nnen aber auch Roboter zum Einsatz kommen.
Roger Gassert, Professor für Rehabilitationstechnik an der ETH Zürich, hat verschiedene solcher Roboter zur Therapie der Handfunktion entwickelt und sieht in ihnen ein gutes Mittel, um Patienten bei der Therapie zu unterstützen. Ob aber Physio- oder Robotertherapie: Beide Formen sind meist auf ein bis zwei Trainingseinheiten pro Tag limitiert und für Patienten zudem aufw?ndig, wenn sie zur Therapie fahren müssen.
Exoskelett als ?bungsroboter
?Meine Vision ist, dass Patienten die ?bungen nicht mehr in einer abstrakten Situation in der Klinik machen, sondern zuhause im Alltag, und dass ein Roboter sie je nach Schweregrad der Sch?digung unterstützen kann?, sagt Gassert und pr?sentiert ein Exoskelett für die Hand. Die Idee für diesen Roboter hat er zusammen mit Professor Jumpei Arata von der Kyushu Universit?t (Japan) entwickelt, als dieser 2010 w?hrend eines Sabbaticals in Gasserts Labor arbeitete.
?Bestehende Exoskelette sind schwer, was ein Problem ist für unsere Patienten, weil sie dann die Hand nicht heben k?nnen?, erkl?rt Gassert das Konzept. Zudem haben die Patienten Mühe, etwas zu spüren und die richtige Kraft auszuüben. ?Deshalb wollten wir ein Modell, das die Innenfl?che der Hand kaum berührt, damit man im Alltag Aktivit?ten ausführen kann, die nicht nur die Motorik, sondern auch die Sensorik unterstützen?, führt er aus. Arata entwickelte einen Mechanismus für den Finger mit drei übereinanderliegenden Blattfedern. Ein Motor bewegt die mittlere Feder, welche die Kraft über die anderen beiden Federn auf die verschiedenen Fingerabschnitte übertr?gt. Die Finger passen sich so automatisch dem Objekt an, das die Hand greifen will.
Mit den integrierten Motoren wog das Exoskelett allerdings 250 Gramm, was sich in klinischen Tests für die Patienten als zu schwer herausstellte. Die L?sung bestand darin, die Motoren von der Hand zu entfernen und am Rücken anzubringen. ?ber ein Fahrradbremskabel wird die Kraft auf das Exoskelett übertragen. So wiegt das Handmodul inzwischen knapp 120 Gramm und ist kr?ftig genug, um eine Literflasche Mineralwasser zu heben.
Hirnabl?ufe erforschen
Was Gassert zurzeit aber wirklich umtreibt, ist die Frage, was im Hirn passiert und wie nach einem Schlaganfall die Befehle aus dem Hirn die Gliedmassen erreichen: ?Gerade bei schwer betroffenen Patienten ist die Verbindung zwischen Hirn und Hand stark oder vollst?ndig unterbrochen?, erkl?rt Gassert. ?Wir suchen deshalb nach einer L?sung, wie Patienten intuitiv Befehle an den Roboter geben k?nnen.? Die Absicht eines Patienten, die Hand zu bewegen, soll im Hirn detektiert und direkt ans Exoskelett weitergegeben werden. Dabei soll ein therapeutischer Nutzen entstehen. Verschiedene Studien zeigen laut Gassert, dass sich bestehende Nervenverbindungen zwischen Hirn und Hand durch regelm?ssiges ?ben st?rken lassen. Voraussetzung ist, dass das Hirn eine sensorische Rückmeldung von der Hand erh?lt, wenn es einen Befehl zur Bewegung gibt.
Um zu verstehen, was im Hirn abl?uft, forscht Gassert mit Klinikern, Neurowissenschaftlern und Therapeuten an den Grundlagen. Hierfür stehen den Wissenschaftlern verschiedene bildgebende Verfahren zur Verfügung, etwa die funktionelle Magnetresonanztomografie (fMRI), mit der man die Aktivit?ten des ganzen Hirns abbilden kann. Damit lassen sich grundlegende Erkenntnisse gewinnen, doch für die Therapie ist die Technologie wenig geeignet: fMRI ist sehr teuer und enorm komplex. ?Und natürlich nicht tragbar?, erg?nzt Gassert mit Blick auf sein Projekt. Deshalb setzt er auf einfachere Verfahren wie die Elektroenzephalografie (EEG) – und insbesondere die funktionelle Nahinfrarotspektroskopie (fNIRS), die günstigste dieser Technologien. An der Herausforderung, ob und wie sich fNIRS robust einsetzen l?sst, arbeitet Gassert zurzeit mit einer Gruppe am Universit?tsspital. Sie bringt Erfahrung in der klinischen Anwendung dieser Technik mit.
Grundlegende Erkenntnisse
Auch die Frage, wie das Gehirn Gliedmassen ansteuert, die mit der Umgebung interagieren, ist noch nicht vollst?ndig gekl?rt. ?Hier leistet die Robotik auch wertvolle Beitr?ge zur Grundlagenforschung, denn sie ist ideal, um eine Bewegung zu erfassen, sie zu st?ren und die Reaktion zu messen ?, erkl?rt Gassert. So haben die Robotiker etwa ein Exoskelett entwickelt, Das Hand-Exoskelett mit den Motoren, die am Rücken getragen werden: Ein Velobremskabel übertr?gt die Kraft, die ausreicht, um eine Literflasche Wasser zu heben. mit dem sich das Knie beim Gehen für 200 Millisekunden blockieren und über 5 Grad auslenken l?sst. Mittels Sensoren messen die Wissenschaftler die Kr?fte, die dabei wirken, und aus diesen Daten k?nnen sie darauf schliessen, wie das Hirn die Steifigkeit des Knies moduliert. Diese Erkenntnisse fliessen dann etwa in die Regelung von neuartigen aktiven Prothesen ein.
Gelingt es den Forschenden, die Verbindung zwischen Hirn und Exoskelett herzustellen, steht ein Ger?t zur Verfügung, das sich bestens für die Therapie eignet. Sind die Defizite hingegen bleibend, k?nnte der Roboter auch Langzeitunterstützung bieten – als Alternative zu invasiven Methoden, an denen auch geforscht wird. Diese sehen beispielsweise vor, Elektroden ins Hirn einzupflanzen und Stimulatoren in den Muskeln anzusteuern. Solange ein Schlaganfallpatient aber davon ausgehen darf, dass er sich noch erholen kann, würde er den Roboter bestimmt vorziehen.