Einleitung
Schädigungen des Zentralnervensystems wie ein Schlaganfall bedürfen der jahrelangen und regelmäßigen neurorehabilitativen Therapie. Der paretische Arm ist nicht nur durch Verlust von Kraft und Sensibilität, sondern auch durch eine Minderung von Geschicklichkeit und Feinmotorik gekennzeichnet. Verschiedene Strategien motorischen Lernens zielen auf eine Linderung dieser Defizite ab und werden erfolgreich in der Neurorehabilitation eingesetzt: Die Therapie sollte intensiv und hochgradig repetitiv, außerdem aufgabenorientiert sein, den Patienten motivieren und die aktive Teilnahme fördern. Dabei sollte sie unterschiedliche Grade der Beeinträchtigung berücksichtigen und sich an die Leistung des Patienten anpassen. Weiterhin sollte sie alle sensorischen Modalitäten ansprechen – also nicht nur haptisches, sondern auch akustisches und visuelles Feedback geben. Roboter können diese Strategien in der neurorehabilitativen Therapie umsetzen, und die Wirksamkeit der robotergestützten Armtherapie konnte in zahlreichen Publikationen nachgewiesen werden. Eine Meta-Analyse an 34 klinischen Versuchen (N = 1160) mit 19 verschiedenen Geräten zeigte eine Verbesserung sowohl der motorischen Funktion und Muskelkraft als auch bei Aktivitäten des täglichen Lebens bei Patienten nach Schlaganfall 1. Eine weitere Untersuchung berichtet zudem von einer Verminderung des Muskeltonus 2.
Geräte für die Armtherapie: Endeffektoren und Exoskelette
Mehr als 120 Geräte allein für die Therapie der oberen Extremität werden in der Literatur beschrieben, die sich in mechanischem Design, Antriebsart und Regelungsstrategien, integrierten Sensoren, Anzahl und der Art der Gelenke, aber auch Feedback und der Art der Unterstützung während der Therapie unterscheiden 3. Anhand des mechanischen Designs können zwei Systeme unterschieden werden: Endeffektoren und Exoskelette.
Endeffektoren sind an nur einem, meist distalen Punkt der Extremität wie der Hand befestigt. Dies vereinfacht die Struktur des Gerätes und die erforderlichen Regelalgorithmen, aber es schränkt die Therapiemöglichkeiten ein, da die Position der einzelnen Gelenke und ihr Zusammenspiel nicht kontrolliert werden können. Häufig sind damit nur plane Bewegungen möglich. Endeffektoren ermöglichen zwar hochrepetitives Training, aber keine Kontrolle und adaptive Unterstützung komplexer Bewegungsabläufe im dreidimensionalen (3D) Raum. Modulare Systeme, die mehrere solcher Geräte kombinieren, oder Systeme, die eine Änderung der Gerätekonfiguration während der Therapie ermöglichen, versuchen, diese Einschränkung zu überwinden.
Exoskelette dagegen imitieren die Kinematik des menschlichen Armes. Sie bestehen aus mehreren Segmenten, die an Arm und Hand befestigt sind und sich an den anatomischen Segmenten des menschlichen Armes orientieren. Auch die Rotationsachsen entsprechen denen des Armes und unterstützen so physiologische dreidimensionale Bewegungen. Die Gerüststruktur des Exoskeletts geht allerdings mit einer Erhöhung der Trägheit, des Rückstoßes und der Reibung einher 4. Darüber hinaus ist die menschliche Armredundanz bei der Bewegung des Arms im Gerät kritisch 5. Für eine sichere Interaktion zwischen Arm und Exoskelett sind also komplexere Kompensations- und Kontrollalgorithmen erforderlich (für eine Übersicht siehe auch 6).
Der Armtherapie-Roboter ARMin
RAm Labor für Sensomotorische Systeme der ETH Zürich wurde zusammen mit der Universität Zürich der Armtherapie-oboter ARMin entwickelt 7 . Unter dem Namen „ArmeoPower ® “ wird der Armtherapie-Roboter von der Firma Hocoma (Volketswil, Schweiz) vertrieben. Die Exoskelett-Struktur und die verwendete Aktuatorik in ARMin erlauben eine natürliche und koordinierte Bewegung der Gelenke der oberen Extremität. Schulter- und Ellbogenbewegungen in allen funktionellen Freiheitsgraden, Flexions- und Extensionsbewegungen des Handgelenks und ein Öffnen und Schließen der Hand können isoliert oder kombiniert geführt und unterstützt werden. Die Länge des Ober- und Unterarmmoduls kann individuell an die anatomischen Gegebenheiten angepasst werden 8 (Abb. 1).
Der Therapeut kann aus einer Vielzahl von Aufgaben am Computer wählen und die Schwierigkeit an die Bedürfnisse des Patienten anpassen, so etwa die zu trainierenden Gelenke, den Grad der Gewichtsentlastung oder das Bewegungsausmaß. ARMin bietet drei Therapiemodi: „Mobilisation“, „Spielemodus“ und „Aktivitäten des täglichen Lebens“. Der Modus „Mobilisation“ dient als Aufwärmphase und zur Vermeidung von Kontrakturen. Üblicherweise verhält sich der Patient dabei passiv, während der Therapeut den im Gerät eingespannten Patientenarm durch ein individuell abgestimmtes Bewegungsmuster führt, das das Gerät aufzeichnet und wiederholt. Im Spielemodus und bei den Aktivitäten des täglichen Lebens ist dagegen der Anwender selbst aktiv. In beiden Modi werden Aufgaben als grafisches Display auf einem Monitor präsentiert. Spiele und Tätigkeiten wie etwa Kochen sind durch visuelle, akustische und haptische Rückmeldungen nicht nur motivierend gestaltet, sondern erleichtern die kognitive Verarbeitung. Der Roboter unterstützt den Patienten in der Bewegung nur, wenn sie nicht vollständig selbst ausgeführt werden kann („assistance as needed“). Diese haptische Führung scheint das Lernen von Bewegungen besonders bei Älteren und bei Patienten mit schwerer Beeinträchtigung zu unterstützen 9.
Studien zu Sicherheit und Wirksamkeit von ARMin
Bevor Geräte im klinischen Alltag Anwendung finden, müssen sie in Studien auf Sicherheit und Wirksamkeit geprüft werden. Zunächst konnte in Einzelfallstudien die Wirksamkeit der neurorehabilitativen Behandlung des Armes mit dem ARMin-Roboter nachgewiesen werden 1011. In einem zweiten Schritt wurde die ARMin-Therapie mit der konventionellen Therapie zur Behandlung des paretischen Armes nach Schlaganfall verglichen 12. Vier klinische Zentren in der Deutschschweiz nahmen an der Studie teil. Dreiundsiebzig Patienten mit moderater bis schwergradiger Beeinträchtigung der Armfunktion – entsprechend einem Fugl-Meyer Assessment (FMA) von 8 bis 38 von 66 Punkten – erhielten über acht Wochen Therapie, entweder ausschließlich am Roboter oder als herkömmliche Einzeltherapie mit einem Ergo- oder Physiotherapeuten 13. Teilnehmer beider Therapiegruppen wurden dreimal wöchentlich je eine Stunde behandelt, sie erhielten also insgesamt 24 Therapiestunden. Primärer Endpunkt war die Veränderung der motorischen Funktion (FMA) im betroffenen Arm. Patienten, die eine ARMin-Therapie erhielten, zeigten im Laufe der Studie eine signifikant größere Verbesserung in der motorischen Armfunktion als die der konventionellen Therapie (FMA: F = 4.1, p = 0.041; mittlerer Unterschied 0,78 Punkte, 95-%-KI 0.03 bis 1.53). Es konnte also gezeigt werden, dass Roboter nicht nur gleichwertig zur herkömmlichen Therapie sind, sondern sogar eine bessere Funktion erzielen. Zwar war dieser Unterschied eher gering und für die Patienten im Alltag nicht relevant. Ein Drittel der Teilnehmer aus der ARMin-Gruppe zeigte jedoch Verbesserungen, die auch klinisch relevant sind (ΔFMA ≥ 5), in der konventionellen Gruppe nur ein Viertel. Bemerkenswert ist, dass die Robotergruppe bereits nach vier Wochen die gleiche motorische Verbesserung (d. h. 2,6 Punkte) erzielte wie die konventionelle Gruppe erst nach acht Wochen, also am Ende der Therapie. Das wichtigste Ergebnis dieser Studie zeigte sich jedoch in der Subgruppenanalyse: Richtet man den Blick auf die stärker Betroffenen, so übertraf die ARMin-Gruppe die konventionelle Gruppe im Laufe der Studie um fast 1,9 Punkte. Dies ist insofern bedeutsam, als bei dieser Patientengruppe der Schwerbetroffenen die Rehabilitation als besonders herausfordernd gilt und mit der ARMin-Therapie nun erstmals eine Behandlungsoption geboten wird.
Betrachtet man den Kraftgewinn in den beiden Therapiegruppen, so schnitten hier Patienten, die der konventionellen Therapie zugeordnet waren, signifikant besser ab als Patienten der Robotergruppe. Auch Sekundäranalysen der Daten weisen darauf hin, dass die konventionelle Gruppe den Fokus auf Krafttraining legte, während die Robotergruppe eher Geschicklichkeit trainierte 14.
Weitere Anwendungsmöglichkeiten von ARMin
Neben der Therapie erleichtert ARMin dem Therapeuten Befunderhebung, Verlaufsbeobachtung und Dokumentation. Die in Robotergeräte integrierten Sensoren liefern eine Vielzahl von Informationen, die bisher nicht in der konventionellen Neurorehabilitation verfügbar waren. Während der Therapie gewonnene kinetische und kinematische Daten (z. B. Kräfte oder Positionen) können neuartige Informationen zum Bewegungsablauf liefern und die Genauigkeit der klinischen Diagnostik erhöhen 1516. Eine sorgfältige Analyse der Daten aller Anwender über eine lange Therapiezeit ist neurowissenschaftlich interessant, denn sie kann zu einem besseren Verständnis des Erholungsprozesses nach neurologischer Erkrankung führen. Dies käme dem einzelnen Patienten zugute, da die Therapie auf diese Weise individuell auf seine Beeinträchtigung abgestimmt werden könnte.
Eine weitere Anwendungsmöglichkeit von Therapierobotern ist die Ferndiagnose der motorischen Funktion durch den Therapeuten, die sogenannte Telerehabilitation. Sie erlaubt es, dem zu Hause trainierenden Patienten über Telekommunikation Rückmeldung zur Therapie zu geben. Die meisten Telerehabilitationsanwendungen funktionieren visuell. Es wurde ein System entwickelt, das eine haptische Intervention, also eine physikalische Therapie, über die Distanz erlaubt und es dem Therapeuten ermöglicht, die motorische Leistung des Patienten am eigenen Arm zu spüren („beam me in“). Dazu sind zwei ARMin-Geräte nötig: In einem wird der Patient platziert, im anderen der Therapeut. Eine bidirektionale Teleoperationskontrollstrategie (d. h. per Master-Slave-System 17) erlaubt zwei Konfigurationen: In der Slave-Konfiguration beschreibt der Therapeut im „Master-ARMin“ mit seinem Arm verschiedene Trajektorien, denen der Patientenarm im „Slave-RMin“ folgt. Die Interaktionsdrehmomente zwischen dem Patientenarm im „Slave-ARMin“ werden auf den „Master-ARMin“ des Therapeuten übertragen. So kann der Therapeut fühlen, ob der Patient aktiv der Bewegung folgt, passiv ist oder als Zeichen einer Spastizität sogar Widerstand gegen die Führung aufbringt. In der Master-Konfiguration werden die Rollen vertauscht: Der Patientenarm im „Master-ARMin“ bewegt sich und führt den Therapeutenarm im „Slave-RMin“. Der Therapeut kann sich entweder passiv verhalten, um die Bewegung des Patienten zu beurteilen, oder aktiv der Bewegung folgen, um so den Patienten zu unterstützen oder Widerstand zu leisten. Die Master-Konfiguration ermöglicht es dem Therapeuten, die Patientenbewegung (z. B. aktiver Bewegungsbereich) in seinem eigenen Arm zu beurteilen. In einer Einzelfallstudie zeigten alle teilnehmenden elf Therapeuten eine insgesamt positive Haltung gegenüber dem Beam-me-in-Konzept und konnten die motorische Leistung (d. h. Kraft, Bewegungsausmaß und Steifheit der Gelenke) bewerten.
Das Potenzial der Exoskelette für die Therapie ist noch nicht voll ausgeschöpft. Sogenannte Head-Mounted Displays wie z. B. Virtual-Reality-Brillen, die das gesamte Gesichtsfeld abdecken, erleichtern die dreidimensionale Darstellung und lassen den Nutzer vollständig in eine virtuelle Realität eintauchen. Die sogenannte halbdurchsichtige erweiterte Realität bietet zudem die Möglichkeit, Aufgaben und Spiele in die wahre Umgebung einzublenden. Beides verleiht den Aufgaben mehr Realismus.
Multi-Player-Szenarien, bei denen Patienten miteinander trainieren oder gegeneinander in virtuellen Spielen antreten, könnten die Motivation erhöhen 18. Zudem gibt es Ansätze, den Therapeuten mehr in die Robotertherapie zu integrieren. Dazu muss zunächst die Transparenz des Gerätes erhöht werden, um eine störungsfreie Interaktion zwischen Patient und Therapeut zu ermöglichen, in der der Roboterarm kaum wahrgenommen wird 19.
Fazit
Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass die roboterunterstützte Therapie für den paretischen Arm eine wichtige Ergänzung zur herkömmlichen Therapie darstellt. Die bisherigen erfreulichen Ergebnisse rechtfertigen eine intensive Erforschung des Feldes. Es bedarf weiterer Anstrengungen, um gerade Patienten mit höhergradiger Beeinträchtigung in Zukunft eine neurorehabilitative Therapie anbieten zu können, die ihnen die unabhängige Rückkehr in den Alltag ermöglicht.
Die Autorin:
Dr. med. Verena Klamroth-Marganska
Labor für Sensomotorische Systeme
ETH Zürich, Rehabilitation Robotics Group
Lengghalde 5,
CH-8008 Zürich, Schweiz
verena.klamroth@hest.ethz.ch
Begutachteter Beitrag/reviewed paper
Klamroth-Marganska V. Klinische Ergebnisse mit dem Armtherapieroboter ARMin. Orthopädie Technik, 2017; 68 (10): 22–25
- Angehende Orthopädietechnik-Mechaniker:innen: eine Befragung von Auszubildenden bezüglich der Einflussfaktoren und potenziellen Gründe für den erwarteten Berufsverbleib — 2. August 2024
- Möglichkeiten einer digitalen Modellerstellung mit Hilfe von 3D-Scanwerkzeugen — 2. August 2024
- Silikon-Maßliner: effiziente Lösungen für anspruchsvolle Prothesenversorgungen — 5. Juli 2024
- Mehrholz J, Pohl M, Platz T, Kugler J, Elsner B. Electromechanical and robotassisted arm training for improving activities of daily living, arm function, and arm muscle strength after stroke. Cochrane Database Syst Rev, 2015; (11): CD006876. doi: 10.1002/14651858
- Veerbeek JM, Langbroek-Amersfoort AC, van Wegen EE, Meskers CG, Kwakkel G. Effects of robot-assisted therapy for the upper limb after stroke: a systematic review and meta-analysis. Neurorehabilitation and Neural Repair, 2017; 31(2): 107–121. doi: 10.1177/1545968316666957
- Maciejasz P, Eschweiler J, Gerlach-Hahn K, Jansen-Troy A, Leonhardt S. A survey on robotic devices for upper limb rehabilitation. J Neuroeng Rehabil, 2014; 11: 3. doi: 10.1186/1743–0003-11–3
- Riener R. Rehabilitation robotics. Foundations and Trends in Robotics, 2012; 3 (1–2): 1–137. doi: 10.1561/2300000028
- Kim H, Miller LM, Byl N, Abrams GM, Rosen J. Redundancy resolution of the human arm and an upper limb exoskeleton. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 2012; 59: 1770–1779
- Proietti T, Crocher V, Roby-Brami A, Jarrassé N. Upper-limb robotic exoskeletons for neurorehabilitation: a review on control strategies. IEEE Reviews in Biomedical Engineering, 2016; 9: 4–14
- Nef T, Guidali T, Riener R. ARMin III – arm therapy exoskeleton with an ergonomic shoulder actuation. Applied Bionics and Biomechanics, 2009; 6: 127–142
- Nef T, Riener R, Müri R, Mosimann UP. Comfort of two shoulder actuation mechanisms for arm therapy exoskeletons: a comparative study in healthy subjects. Med Biol Eng Comput, 2013; 51 (7): 781–789. doi: 10.1007/s11517-013‑1047‑4
- Marchal-Crespo L, McHughen S, Cramer SC, Reinkensmeyer DJ. The effect of haptic guidance, aging, and initial skill level on motor learning of a steering task. Experimental Brain Research, 2010; 201: 209–220
- Staubli P, Nef T, Klamroth-Marganska V, Riener R. Effects of intensive arm training with the rehabilitation robot ARMin II in chronic stroke patients: four single-cases. J Neuroeng Rehabil, 2009; 6: 46. doi: 10.1186/1743–0003‑6–46.
- Nef T, Mihelj M, Kiefer G, Perndl C, Muller R, Riener R. ARMin – Exoskeleton for Arm Therapy in Stroke Patients. Proceedings of the IEEE 10th International Conference on Rehabilitation Robotics (ICORR 2007), 2007: 68–74
- Klamroth-Marganska V, Blanco J, Campen K, Curt A, Dietz V, Ettlin T, et al. Three-dimensional, task-specific robot therapy of the arm after stroke: a multicentre, parallel-group randomised trial. Lancet Neurol, 2014; 13: 159–166
- Fugl-Meyer AR, Jääskö L, Leyman I, Olsson S, Steglind S. The post-stroke hemiplegic patient. 1. a method for evaluation of physical performance. Scand J Rehabil Med, 1975; 7 (1): 13–31
- Valero-Cuevas FJ, Klamroth-Marganska V, Winstein CJ, Riener R. Robot-assisted and conventional therapies produce distinct rehabilitative trends in stroke survivors. Journal of Neuroengineering and Rehabilitation, 2016; 13: 92
- Lambercy O, Lünenburger L, Gassert R, Bolliger M. Robots for measurement/ clinical assessment. In: Dietz V, Nef T, Rymer WZ (Hrsg.). Neurorehabilitation Technology. London: Springer, 2012: 443–456
- Keller U, Schölch S, Albisser U, Rudhe C, Curt A, Riener R, et al. Robot-Assisted Arm Assessments in Spinal Cord Injured Patients: A Consideration of Concept Study. PloS one, 2015; 10 (5): e0126948. doi: 10.1371/journal.pone.0126948
- Lanini J, Tsuji T, Wolf P, Riener R, Novak D. Teleoperation of two six-degree-of-freedom arm rehabilitation exoskeletons. IEEE International Conference on Rehabilitation Robotics (ICORR), 2015: 514–519
- Novak D, Nagle A, Riener R. Can two-player games increase motivation in rehabilitation robotics? Proceedings of the 2014 ACM/IEEE International Conference on Human-Robot Interaction, 2014: 447–454
- Just F, Baur K, Riener R, Klamroth-Marganska V, Rauter G. Online adaptive compensation of the ARMin Rehabilitation Robot. 6th IEEE International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics (BioRob), 2016: 747–752