Das Pro­jekt RehaIn­ter­act – Ent­wick­lung einer sen­sor­ba­sier­ten Gang­schu­le zur Akti­vie­rung der unte­ren Extremitäten

M. John, G. Kock, B. Häusler, A. Grohnert, J. Liebach, M. Wolschke, A. Smurawski, K. Sommerfeld
Schwerstgeschädigte Patienten – z. B. nach einem Schlaganfall oder einer Rückenmarksverletzung – müssen meist grundlegende Funktionen und Bewegungen wie Stehen oder Gehen wieder neu erlernen. Um rehabilitative Maßnahmen auch nach dem Klinikaufenthalt attraktiv zu gestalten, um dem Patienten eine zeit- und ortsunabhängige Versorgung anzubieten und um die Fernbetreuung durch Ärzte und Therapeuten zu gewährleisten, wurde im Projekt RehaInteract eine sensorbasierte Gangschule entwickelt, die in ein interaktives Therapieumfeld integriert ist.

Auf der Basis spe­zi­el­ler Sen­so­rik und mit einem spie­le­ri­schen Übungs­cha­rak­ter kann der Pati­ent dadurch sein regel­mä­ßi­ges Trai­ning auch im häus­li­chen Umfeld fort­set­zen. Eine per­so­na­li­sier­te Bewe­gungs­ana­ly­se sowie geeig­ne­te Feed­back­me­cha­nis­men unter­stüt­zen den Reha­bi­li­tan­den bei der Übungs­aus­füh­rung. Die zusam­men­fas­sen­de Dar­stel­lung der Übungs­er­geb­nis­se ermög­licht dem The­ra­peu­ten, das Trai­ning ent­spre­chend anzu­pas­sen. In dem Bei­trag wer­den der ent­wi­ckel­te Pro­to­typ sowie Ergeb­nis­se von Anwen­der­tests im Reha-Zen­trum Lüb­ben vor­ge­stellt. Sie geben ers­te Hin­wei­se auf die Akzep­tanz des Systems.

Ein­lei­tung

In der Schlag­an­fall-Nach­sor­ge oder bei Rücken­marks­ver­let­zun­gen nach einem schwe­ren Unfall ist die reha­bi­li­ta­ti­ve The­ra­pie nach Been­di­gung eines sta­tio­nä­ren Auf­ent­hal­tes noch lan­ge nicht abge­schlos­sen 1. Die Durch­füh­rung nach­sta­tio­nä­rer The­ra­pie­maß­nah­men ist jedoch an ent­spre­chen­de Ein­rich­tun­gen gebun­den, zu denen sich der Reha­bi­li­tand bege­ben muss. Ins­be­son­de­re in länd­li­chen Gegen­den ist für immo­bi­le und schwerst­be­trof­fe­ne Pati­en­ten der Zugang zur medi­zi­ni­schen Ver­sor­gung auf­grund lan­ger Anfahrts­we­ge mit­un­ter schwie­rig 2. Im Pro­jekt RehaIn­ter­act wur­de daher ein inter­ak­ti­ver und sen­sor­ba­sier­ter The­ra­pie­raum ent­wi­ckelt, der the­ra­peu­ti­sche Maß­nah­men zur Akti­vie­rung sowohl der unte­ren als auch der obe­ren Extre­mi­tä­ten im häus­li­chen Umfeld eröff­net und somit eine Mög­lich­keit schafft, zeit- und orts­un­ab­hän­gig reha­bi­li­ta­ti­ve The­ra­pie­maß­nah­men zur Ver­fü­gung zu stellen.

Im Lau­fe des Reha­bi­li­ta­ti­ons­pro­zes­ses nutzt der Pati­ent das Sys­tem zunächst in der Kli­nik, bevor er die The­ra­pie­um­ge­bung in der nach­sta­tio­nä­ren Behand­lungs­pha­se als neu­ar­ti­gen Trai­nings­raum in sein häus­li­ches Umfeld inte­griert. Kli­ni­ken bie­tet das ent­wi­ckel­te Sys­tem einen inno­va­ti­ven Ansatz, ihre bestehen­den The­ra­pie­räu­me mit ver­netz­ten und inter­ak­ti­ven The­ra­pie­ob­jek­ten und ‑gerä­ten auf­zu­wer­ten und den Pati­en­ten bereits im sta­tio­nä­ren Behand­lungs­all­tag eine attrak­ti­ve und moti­vie­ren­de Form der Reha­bi­li­ta­ti­on zu ermög­li­chen. Die betreu­en­den Ärz­te und The­ra­peu­ten kön­nen mit dem Sys­tem auch im Anschluss an die sta­tio­nä­re Behand­lung den Kon­takt zu Pati­en­ten auf­recht­erhal­ten und indi­vi­du­ell über grö­ße­re Ent­fer­nun­gen hin­weg zusätz­li­che Betreu­ungs­dienst­leis­tun­gen anbieten.

Pro­jekt­zie­le

Ziel von RehaIn­ter­act ist die Inte­gra­ti­on unter­schied­li­cher Sen­sor­sys­te­me und Feed­back­me­cha­nis­men in the­ra­peu­ti­sche Heil- und Hilfs­mit­tel, um stark in ihrem Bewe­gungs­ra­di­us ein­ge­schränk­ten Men­schen ein moti­va­tio­na­les Umfeld für das täg­li­che Bewe­gungs­trai­ning zu schaf­fen. Das Pro­jekt trägt somit dazu bei, die nach­sta­tio­nä­re Ver­sor­gung im häus­li­chen Umfeld mit Hil­fe einer Fern­be­treu­ung durch The­ra­peu­ten zu ver­bes­sern, indem die Aus­füh­rung von Bewe­gungs­übun­gen im häus­li­chen Umfeld mit­tels inno­va­ti­ver Infor­ma­ti­ons- und Kom­mu­ni­ka­ti­ons­tech­nik, Sen­so­rik und Moti­va­ti­ons­me­tho­dik so unter­stützt wird, dass ein nach­hal­ti­ger, medi­zi­ni­schen Kri­te­ri­en genü­gen­der Übungs­er­folg gewähr­leis­tet wird. Zur Errei­chung die­ses Ziels wur­de ein Ver­bund­pro­jekt durch­ge­führt, in dem medi­zi­ni­sche Exper­ti­se (Reha-Zen­trum Lüb­ben), inter­dis­zi­pli­nä­re, anwen­dungs­na­he IKT-For­schungs­kom­pe­tenz (Fraun­ho­fer-Insti­tut für Offe­ne Kom­mu­ni­ka­ti­ons­sys­te­me FOKUS), Ent­wick­lungs- und Pro­duk­ti­ons­er­fah­rung bezüg­lich Sen­so­rik (Xyber­mind GmbH), lang­jäh­ri­ge Erfah­rung in der Umset­zung in zwei- und drei­di­men­sio­na­len Mul­ti­me­dia­an­wen­dun­gen auf der Basis kom­ple­xer User-Inter­faces (Nuro­me­dia GmbH) sowie Grund­la­gen­wis­sen im Bereich medi­zi­ni­scher Sen­sor­net­ze (TU Ber­lin) zusammenkamen.

Das Pro­jekt kom­bi­niert kör­per­na­he und opti­sche Sen­sor­sys­te­me zur Mes­sung und Bewer­tung the­ra­piere­le­van­ter Bewe­gungs­ab­läu­fe. Die Ana­ly­se der Bewe­gun­gen basiert auf Druck‑, Lage- und Beschleu­ni­gungs­sen­so­rik, die in All­tags- und The­ra­pie­ge­gen­stän­den inte­griert ist. Die opti­sche Sen­so­rik dient der ver­fei­ner­ten Aus­wer­tung der Kör­per­hal­tung und trägt dazu bei, feh­ler­haf­te Bewe­gungs­aus­füh­run­gen zu vermeiden.

Eine ein­fach zu bedie­nen­de Benut­zer­ober­flä­che moti­viert den Reha­bi­li­tan­den, ein indi­vi­dua­li­sier­tes Trai­ning in spie­le­ri­scher Form durch­zu­füh­ren. Durch Feed­back­me­cha­nis­men wird der Pati­ent in Echt­zeit ange­lei­tet, gege­be­nen­falls sofor­ti­ge Kor­rek­tu­ren einer Bewe­gung vor­zu­neh­men. Für die Akti­vie­rung der unte­ren Extre­mi­tä­ten wur­de im Pro­jekt pro­to­ty­pisch eine häus­li­che Gang­schu­le ent­wi­ckelt, die es erlaubt, anhand indi­vi­du­ell ein­stell­ba­rer, medi­zi­nisch vali­der Übungs­pa­ra­me­ter wie z. B. der Schritt­län­ge ein per­so­na­li­sier­tes Trai­ning durch­zu­füh­ren. Das ent­wi­ckel­te Sys­tem basiert auf kos­ten­güns­ti­gen Tech­no­lo­gie­kom­po­nen­ten, die sowohl in der Kli­nik als auch im häus­li­chen Umfeld ein­ge­setzt wer­den können.

Die RehaIn­ter­act-Trai­nings­um­ge­bung

Die Trai­nings­um­ge­bung RehaIn­ter­act, dar­ge­stellt in Abbil­dung 1, besteht aus einem Bild­schirm, auf dem die spie­le­risch-inter­ak­ti­ve Benut­zer­ober­flä­che dar­ge­stellt wird, einem PC, auf dem das Echt­zeit-Feed­back wäh­rend der Trai­nings­aus­füh­rung berech­net wird, und ver­schie­de­nen Sen­sor­sys­te­men, die ent­we­der im Raum instal­liert oder in The­ra­pie- und All­tags­ge­gen­stän­de inte­griert sind. Die Bewe­gung wird mit Hil­fe von drei unter­schied­li­chen Sen­sor­sys­te­men erfasst (sie­he Abb. 2): opti­sche Sen­so­rik in Form der Kinect, zwei Schuh­soh­len, in denen Druck und Lage­sen­so­rik inte­griert sind, und ein Wand­schie­nen­sys­tem, die soge­nann­te Wol­lie-Action. Der Kinect-Sen­sor stellt drei­di­men­sio­na­le Posi­ti­ons­da­ten der Kör­per­ge­len­ke eines Nut­zers zur Ver­fü­gung. Auf Basis des­sen kön­nen die Kör­per­hal­tung (z. B. Gleich­ge­wichts­stö­run­gen oder Insta­bi­li­tä­ten im Ober­kör­per) und Schritt­wei­ten des Pati­en­ten ana­ly­siert wer­den. Die Druck- und Lage­sen­so­rik, inte­griert in Schuh­soh­len, dient der Erken­nung der ein­zel­nen Schrit­te sowie des Abroll­ver­hal­tens der Füße. Der Fuß­be­reich wur­de dazu in die drei Berei­che „medi­al“, „late­ral“ und „Fer­se“ ein­ge­teilt und die Soh­le ent­spre­chend mit der Druck­sen­so­rik aus­ge­stat­tet. Die Wol­lie-Action besteht aus einem Hand-Pad, wel­ches in einem Wand­schie­nen­sys­tem ver­an­kert ist. Die Pads kön­nen ent­lang der Schie­ne bewegt wer­den. Inte­grier­te Druck­sen­so­rik in dem Hand-Pad erlaubt es, Aus­sa­gen zu tref­fen über die durch den Pati­en­ten aus­ge­üb­te Zug- und Druck­kraft. Dadurch kann im Trai­nings­ver­lauf das Gleich­ge­wicht des Reha­bi­li­tan­den bewer­tet werden.

The­ra­pie­kon­zept zur Akti­vie­rung der unte­ren Extremitäten

Die mul­ti­moda­le Gang­schu­le, wie sie im Pro­jekt rea­li­siert wur­de, kann in ver­schie­de­nen medi­zi­ni­schen Teil­dis­zi­pli­nen ein­ge­setzt wer­den. So gehört die the­ra­peu­ti­sche Gang­schu­le z. B. zu den stan­dar­di­sier­ten The­ra­pien in der ortho­pä­di­schen Reha­bi­li­ta­ti­on nach Kno­chen- und Weich­teil­ver­än­de­run­gen (Frak­tu­ren, Mus­kel­schwä­chen, Mus­kel­kon­trak­tu­ren), nach dem ope­ra­ti­ven Ein­satz künst­li­cher Gelen­ke (TEP), nach Ampu­ta­tio­nen und dem dar­auf­hin erfolg­ten Ein­satz von Pro­the­sen oder nach Ver­let­zun­gen und der damit ver­bun­de­nen Ver­wen­dung von Orthe­sen. Auch bei Arthro­se­er­kran­kun­gen der unte­ren Extre­mi­tä­ten und Fehl­stel­lun­gen von Gelen­ken (Coxa val­ga, Coxa vara) kann eine mul­ti­modal kon­zi­pier­te Gang­schu­le Teil eines umfas­sen­de­ren The­ra­pie­plans sein. Kon­ven­tio­nel­le Gang­schu­len gehö­ren in den The­ra­pie­plan bei Läh­mun­gen nach Ner­ven­ver­let­zun­gen (Pare­sen, Spas­ti­ken), bei Poly­neu­ro­pa­thien (Gefühl­lo­sig­keit und Koor­di­na­ti­ons­schwä­che, z. B. bei Dia­be­tes mel­li­tus), nach Schlag­an­fäl­len und bei zere­bra­len, dege­ne­ra­ti­ven Erkran­kun­gen (Mor­bus Par­kin­son, Alz­hei­mer-Demenz). Auch der Ein­satz in der ger­ia­tri­schen Medi­zin ist denk­bar. So spielt das The­ma Sturz­prä­ven­ti­on eine gro­ße Rol­le in der the­ra­peu­ti­schen Ver­sor­gung älte­rer Men­schen. Hier kann eine Gang­schu­le ein­ge­setzt wer­den, um Mus­kel­struk­tu­ren auf­zu­bau­en oder zu erhal­ten und um das Gleich­ge­wicht beim Gehen zu trai­nie­ren (Abb. 3).

Die kon­ven­tio­nel­le Gang­schu­le wur­de im Pro­jekt als Vor­bild für die Ent­wick­lung einer sen­sor­ge­stütz­ten, mul­ti­moda­len Gang­schu­le ver­wen­det. Dazu defi­nier­ten die The­ra­peu­ten am Reha-Zen­trum Lüb­ben zunächst die übli­chen Para­me­ter zur Beur­tei­lung eines Gang­bil­des, um dar­auf auf­bau­end eine Sen­so­rik zu ent­wi­ckeln, die eine orts­un­ab­hän­gi­ge Beur­tei­lung ermög­li­chen soll. Der­zeit umfasst der Übungs­ka­ta­log der Gang­schu­le 9 Übun­gen zur Akti­vie­rung der unte­ren Extre­mi­tä­ten. Die Übun­gen wur­den nach Aspek­ten der the­ra­peu­ti­schen Wirk­sam­keit zusam­men­ge­stellt. Hier­für wur­den Rumpf­ak­ti­vi­tät und ‑sta­bi­li­tät sowie ein­zel­ne Akti­vi­tä­ten der Unter- und Ober­schen­kel und das Abroll­ver­hal­ten der Füße berücksichtigt.

Fol­gen­de Übun­gen sind Bestand­teil des Übungskataloges:

  • Hock­streck­bal­len­stand (Bal­len­stand)
  • Vor­wärts-/Rück­wärts­ge­hen
  • Fuß­gym­nas­tik (Stand/Sitz)
  • Bein­schwung
  • Der Stei­ger
  • Der Bein-Ab-/Ad­duk­tor
  • Bein­pen­del an der „Wol­lie-Action“
  • Seit­wärts­ge­hen
  • Knie­hub an der „Wol­lie-Action“

Wie bei einer kon­ven­tio­nel­len, durch kli­ni­sche Beob­ach­tung kon­trol­lier­ten Gang­schu­le auch müs­sen für die Ent­wick­lung einer tech­nik­ge­stütz­ten Gang­schu­le ver­schie­de­ne Para­me­ter erfasst wer­den. Für den Pati­en­ten und The­ra­peu­ten sind Infor­ma­tio­nen über Fuß­stel­lung, Bei­n­ach­se, Abroll­be­we­gung, Spur­brei­te, Schritt­län­ge und Schritt­rhyth­mus, Bewe­gungs­aus­maß, Gelenk­sta­bi­li­tät und Gewichts­ver­la­ge­rung wich­tig. All die­se Para­me­ter sind für die kli­ni­sche Beur­tei­lung des Gang­bil­des eines Pati­en­ten rele­vant und bil­den die Grund­la­ge für medi­zi­nisch-the­ra­peu­ti­sche Ent­schei­dun­gen 34. Mit der Ent­wick­lung des sen­sor­ge­stütz­ten Sys­tems kön­nen die­se wich­ti­gen Para­me­ter erfasst und bewer­tet werden.

Aus the­ra­peu­ti­scher Sicht wird ein mehr­di­men­sio­na­les Feed­back­sys­tem bevor­zugt. Das Feed­back­sys­tem soll­te beim Trai­nie­ren ein­grei­fen und the­ra­peu­ti­sche Anwei­sun­gen geben, um das avi­sier­te The­ra­pie­ziel zu errei­chen. So soll­te eine sen­sor­ge­stütz­te, mul­ti­moda­le Gang­schu­le opti­sches Feed­back geben, wenn der Pati­ent vor dem Bild­schirm die Gang­schu­le durch­führt. Dar­über hin­aus bie­tet das Sys­tem die Mög­lich­keit, die Moti­va­ti­on der Pati­en­ten zu stei­gern, da die Übun­gen in einer spie­le­risch-vir­tu­el­len Umge­bung stattfinden.

Bei den Übun­gen für die unte­ren Extre­mi­tä­ten wird das Haupt­au­gen­merk auf star­ke Ein­schrän­kun­gen im Gang­ver­hal­ten gelegt. Die Übun­gen der mul­ti­moda­len Gang­schu­le sind indi­ka­ti­ons­spe­zi­fisch spe­zi­ell für die unte­ren Extre­mi­tä­ten aus­ge­legt. Über das Wand­schie­nen­sys­tem erfolgt eine Kon­trol­le der Hal­tung (Ober­kör­per­sta­bi­li­tät) durch die Hand, indem ein Gleich­ge­wicht von Druck und Zug gemes­sen wird. Ein wei­te­rer wich­ti­ger Aspekt ist die Qua­li­tät der Bewe­gungs­aus­füh­rung. Um die Bewe­gungs­kon­trol­le zu gewähr­leis­ten, sind die Gelenk­stel­lung, die Schritt­län­ge und die Posi­ti­on der Gelen­ke wich­ti­ge phy­sio­lo­gi­sche Para­me­ter, die vom Sys­tem erfasst und ana­ly­siert wer­den müssen.

Damit der Trai­nie­ren­de auf sei­ne Gewichts­ver­tei­lung ach­tet, also sein Gleich­ge­wicht kon­trol­lie­ren kann, wur­de ein Ampel­fe­ed­back imple­men­tiert. Durch far­bi­ge Abstu­fun­gen eines vir­tu­el­len Sei­les (grün, gelb, rot), an dem der Pati­ent sich wäh­rend der Übungs­aus­füh­rung fest­hält, gibt das Sys­tem Feed­back, ob er dies kor­rekt im the­ra­peu­ti­schen Sin­ne tut. Akus­ti­sches Feed­back wird dar­über hin­aus ein­ge­setzt, um the­ra­peu­ti­sche Anwei­sun­gen an den Anwen­der wei­ter­zu­ge­ben und/oder moti­vie­rend auf ihn einzuwirken.

Bei der Übung „Vor­wärts-/Rück­wärts­ge­hen“ (Abb. 4) muss der Pati­ent mit einer Hand die „Wol­lie-Action“ grei­fen und beim Lau­fen mög­lichst wenig Druck oder Zug auf die Hand­schlau­fe brin­gen. Er geht dann mit einer opti­ma­len Abroll­be­we­gung in einer gleich­mä­ßi­gen Geschwin­dig­keit über die in der Benut­zer­ober­flä­che vor­ge­ge­be­nen vir­tu­el­len „Stei­ne“ vor­wärts. Wenn der Pati­ent den „Fluss“ über­quert hat, geht er rück­wärts zu sei­nem Aus­gangs­punkt zurück. Er muss dabei auf die vor­ge­ge­be­nen Stei­ne ach­ten und sei­ne vor­ge­ge­be­ne Schritt­län­ge halten.

Beim Bein­pen­del (Abb. 5) steht der Pati­ent seit­lich am Schie­nen­sys­tem und fixiert sei­ne Hand an der „Wol­lie-Action“. Er ver­la­gert sein Kör­per­ge­wicht auf ein Bein und ver­sucht, mit dem ande­ren Bein beim Auf­tau­chen einer Blu­me vor sei­nem Ava­tar die Fer­se auf­zu­set­zen und die Blu­me so zu berüh­ren. Beim Auf­tau­chen einer Blu­me hin­ter ihm setzt er die Fuß­spit­ze auf und berührt die Blu­me mit dem Bal­len. Dabei soll­te dar­auf geach­tet wer­den, dass die Hand in der Schlau­fe so wenig wie mög­lich Druck oder Zug aus­übt und das Gleich­ge­wicht gehal­ten wird.

Bei einem regel­mä­ßi­gen Trai­ning mit die­sem Sys­tem kann der Pati­ent sein opti­ma­les Gang­bild wie­der­erlan­gen und den Mus­kel­sta­tus auf­grund der unter­schied­lichs­ten mus­ku­lä­ren Kon­trak­ti­ons­ar­ten ver­bes­sern. Der moti­va­tio­na­le Cha­rak­ter die­ses Sys­tems soll dem Pati­en­ten ermög­li­chen, auch noch nach län­ge­ren Trai­nings­pha­sen mit Freu­de zu üben.

Sys­tem­ar­chi­tek­tur und ent­wi­ckel­ter Prototyp

Das Gesamt­sys­tem besteht aus einer sen­sor­ba­sier­ten, inter­ak­ti­ven Übungs­um­ge­bung für Pati­en­ten, um das häus­li­che Trai­ning aus­zu­füh­ren, und einer web­ba­sier­ten Umge­bung für The­ra­peu­ten, um die Fern­be­treu­ung des Trai­nings zu gewähr­leis­ten 5. Anhand der Sen­sor­da­ten wird für alle Übun­gen erfasst, wie flüs­sig und sicher der Pati­ent ein­zel­ne Schrit­te aus­führt. Eben­so wird die Schritt­wei­te gemes­sen und anhand der spe­zi­ell ent­wi­ckel­ten Übun­gen trai­niert. Neben der Erfas­sung des Gang­bil­des ist die Erken­nung mög­li­cher Aus­gleichs­be­we­gun­gen aus the­ra­peu­ti­scher Sicht wich­tig. Die Hin­wei­se im Pro­gramm erfol­gen über Audio- und Text­hin­wei­se sowie über Feed­back­me­cha­nis­men, die in die spie­le­ri­sche Übungs­um­ge­bung inte­griert wur­den. Zur Inter­ak­ti­on steht sowohl den Pati­en­ten als auch den The­ra­peu­ten eine visu­el­le Benut­zer­ober­flä­che zur Verfügung.

Abbil­dung 6 stellt eine typi­sche Kom­mu­ni­ka­ti­on der ein­zel­nen Sys­tem­kom­po­nen­ten bei der Nut­zung der Anwen­dung vor. Der von den The­ra­peu­ten ange­leg­te und im Ver­lauf der The­ra­pie ange­pass­te Trai­nings­plan eines Pati­en­ten wird über den vor­han­de­nen The­ra­pie­ser­ver in die Übungs­um­ge­bung des Pati­en­ten über­tra­gen, wodurch die mul­ti­moda­le Gang­schu­le mit indi­vi­du­el­len Trai­nings­pa­ra­me­tern per­so­na­li­siert wird. Die not­wen­di­ge Sen­so­rik wird durch das Sen­sor­ma­nage­ment inte­griert 6. Wäh­rend der Übungs­durch­füh­rung wer­den die erfass­ten Daten aus den unter­schied­li­chen Sen­so­ren der Bewe­gungs­ana­ly­se zur Ver­fü­gung gestellt. Nach Aus­wer­tung der Daten in Echt­zeit wer­den dem Pati­en­ten über ver­schie­de­ne Feed­back­me­cha­nis­men (visu­ell, akus­tisch) feh­ler­haf­te Aus­füh­run­gen zur sofor­ti­gen Kor­rek­tur mit­ge­teilt sowie nach Been­di­gung des Trai­nings die Ergeb­nis­se in auf­be­rei­te­ter Form an die The­ra­peu­ten­um­ge­bung über­tra­gen, sodass das medi­zi­ni­sche Fach­per­so­nal Ein­sicht neh­men und gege­be­nen­falls den The­ra­pie­plan adap­tie­ren kann. Dabei kön­nen bestimm­te Übungs­pa­ra­me­ter wie Anzahl der Schrit­te und Schritt­wei­te modi­fi­ziert wer­den. Wei­te­re medi­zi­ni­sche Para­me­ter der Gang­schu­le set­zen sich zusam­men aus moto­ri­schen Fähig­kei­ten, bestehend aus Gleich­ge­wicht, Koor­di­na­ti­on sowie Reak­ti­on, und gangspe­zi­fi­schen Eigen­schaf­ten wie der rich­ti­gen Abroll­be­we­gung der Füße bei der Aus­füh­rung eines Schrittes.

Bewe­gungs­ana­ly­se und Nutzerfeedback

Die Arbeits­wei­se der Bewe­gungs­ana­ly­se wird bestimmt durch den in Abbil­dung 7 dar­ge­stell­ten soge­nann­ten end­li­chen Auto­ma­ten. Die­ser Auto­mat wird von der Benut­zer­ober­flä­che gesteu­ert. Nach Aus­wahl einer Trai­nings­ein­heit durch den Reha­bi­li­tan­den wech­selt der Zustand der Bewe­gungs­ana­ly­se von „idle­Sta­te“ in „loa­dEx­er­cis­e­Sta­te“. Der indi­vi­du­el­le Trai­nings­plan wird gele­sen, und Übun­gen wer­den per­so­na­li­siert. Im dar­auf­fol­gen­den Zustand „che­ckIn­iti­al­Pos­tu­re­Sta­te“ wird über­prüft, ob die für eine Übung defi­nier­te Aus­gangs­po­si­ti­on vom Trai­nie­ren­den ein­ge­nom­men wur­de (z. B. par­al­le­le Anord­nung der Füße und gera­de Kör­per­hal­tung im Kon­text der Gang­schu­le). Die Klas­si­fi­zie­rung und Ana­ly­se einer Bewe­gung inner­halb einer Übung wird im Zustand „check­Ex­er­cis­e­Sta­te“ durch­ge­führt, und die dar­aus resul­tie­ren­den Aus­wer­tun­gen wer­den als Trai­nings­er­geb­nis­se im Zustand „rate­Ex­er­cis­e­Sta­te“ zusammengefasst.

In den ent­spre­chen­den Zustän­den der Bewe­gungs­ana­ly­se wer­den aktu­el­le Sen­sor­da­ten im Abstand von 50 Mil­li­se­kun­den aus­ge­wer­tet. Um die dyna­mi­sche Ent­wick­lung der Daten ana­ly­sie­ren und somit den aktu­el­len Bewe­gungs­aus­schnitt in Abhän­gig­keit zur Ver­gan­gen­heit klas­si­fi­zie­ren zu kön­nen, wer­den die vom Kinect-Sen­sor gemes­se­nen Posi­ti­ons­wer­te in einem Puf­fer vor­ge­hal­ten. Das Ergeb­nis einer Ana­ly­se – das vor­lie­gen­de Ereig­nis und dazu­ge­hö­ri­ge aus­führ­li­che Infor­ma­tio­nen – wird der Benut­zer­ober­flä­che zur Dar­stel­lung und zur Feed­back­ge­bung mitgeteilt.

Die Haupt­auf­ga­ben der Bewe­gungs­ana­ly­se las­sen sich wie folgt beschreiben:

  1. Sen­so­ri­sche Kon­fi­gu­ra­tio­nen des Sys­tems wer­den durch die Bewe­gungs­ana­ly­se ermit­telt und mit dem Sen­sor­ma­nage­ment aus­ge­han­delt (ver­füg­ba­re Sen­so­ren, Kon­fi­gu­ra­ti­on von Sensoren).
  2. Die ver­schie­de­nen Sen­sor­da­ten wer­den akku­mu­liert und qua­li­ta­ti­ve Aus­sa­gen über die aktu­el­len (Bewegungs-)Vorgänge ermit­telt (Vor­wärts-/Rück­wärts­schritt, Schritt­län­gen, Mit­tel­wer­te und Vari­an­zen von Druckmessungen).
  3. Die Bewe­gun­gen wer­den klas­si­fi­ziert, die Qua­li­tät der Bewe­gungs­aus­füh­rung sowie die Sen­sor­da­ten wer­den an die Benut­zer­ober­flä­che zur Feed­back­ge­ne­rie­rung und zur geeig­ne­ten gra­fi­schen Dar­stel­lung über­ge­ben (vgl. Dar­stel­lun­gen von Druck und Zug in Abbil­dung 4 und 5 auf einer Farbskala).

In der mul­ti­moda­len Gang­schu­le wird der Hand­sen­sor „Wol­lie-Action“ für den Benut­zer durch ein Seil simu­liert. Es ver­hält sich dabei phy­si­ka­lisch wie ein rich­ti­ges Seil, indem es sich zu der­je­ni­gen Sei­te bewegt, in die es gezo­gen bzw. gedrückt wird. Die Qua­li­tät einer Aus­füh­rung wird dem Reha­bi­li­tan­den per Ampel­sys­tem ange­zeigt: Wird das Gleich­ge­wicht gehal­ten, bleibt das Seil grün ein­ge­färbt. Zuläs­si­ge Kraft­ein­wir­kun­gen, defi­niert im per­so­na­li­sier­ten Trai­nings­plan, wer­den gelb dar­ge­stellt. Sind die Gren­zen des erlaub­ten Drucks oder Zugs über­schrit­ten, wird das Seil rot kolo­riert. Schritt­wei­ten wer­den durch die Abstän­de der Stei­ne im Fluss dar­ge­stellt. Die Far­ben der Stei­ne sagen aus, wie qua­li­ta­tiv ent­spre­chend den Ein­stel­lun­gen im Trai­nings­plan ein Schritt aus­ge­führt wur­de. Die Druck­in­ten­si­tä­ten der Fuß­be­rei­che wer­den durch Farb­ver­läu­fe der visu­el­len Soh­len­ele­men­te ange­zeigt (sie­he Abb. 5 links oben) und geben direk­tes Feed­back über die Abroll­be­we­gung bei der Aus­übung eines Schrit­tes. Begibt sich der Reha­bi­li­tand in eine unge­sun­de Kör­per­hal­tung, wird er zusätz­lich mit­tels akus­ti­schen Signa­len dar­auf hin­ge­wie­sen, um ver­let­zen­de Aus­füh­run­gen zu ver­mei­den. Die Bewer­tun­gen der ein­zel­nen Übungs­pa­ra­me­ter sowie die zusam­men­ge­fass­te Beschrei­bung der Bewe­gungs­aus­füh­run­gen (z. B. Anzahl der Schrit­te, Aus­füh­rungs­dau­er) wer­den dem behan­deln­den The­ra­peu­ten über die The­ra­peu­ten­um­ge­bung zur Ver­fü­gung gestellt, sodass eine zeit- und orts­un­ab­hän­gi­ge medi­zi­ni­sche Betreu­ung gewähr­leis­tet wird.

Eva­lua­ti­on im Reha-Zen­trum Lübben

Die Ent­wick­lung des sen­sor­ge­stütz­ten, mul­ti­moda­len The­ra­pie­sys­tems im Pro­jekt RehaIn­ter­act wur­de durch einen nut­zer­zen­trier­ten Design­pro­zess („user­cen­te­red design pro­cess“) beglei­tet. Das Gesamt­sys­tem wur­de im Novem­ber 2015 im Reha-Zen­trum Lüb­ben instal­liert und anschlie­ßend über einen Zeit­raum von drei Mona­ten eva­lu­iert. Hier­bei soll­ten in ers­ter Linie Nut­zer­ak­zep­tanz und Prak­ti­ka­bi­li­tät der ent­wi­ckel­ten Sys­tem­kom­po­nen­ten „Trai­nings­ge­rät“ und „spiel­ba­sier­te Nut­zer­ober­flä­che“ sowie die Qua­li­tät der Bewe­gungs­kor­rek­tur der ent­wi­ckel­ten mul­ti­moda­len, sen­sor­ge­stütz­ten Gang­schu­le unter­sucht wer­den. An der abschlie­ßen­den Eva­lua­ti­on nah­men N = 30 Pro­ban­den teil, die jeweils einen Fra­ge­bo­gen zum The­ra­pie­sys­tem aus­füll­ten und zusätz­lich bei der Nut­zung des Sys­tems gefilmt wur­den. Die Aus­wer­tung der so erho­be­nen Infor­ma­tio­nen erfolg­te im Anschluss an die Test­pha­se mit Hil­fe der Ermitt­lung sta­tis­ti­scher Kenn­wer­te und eines Kate­go­rie­sys­tems für die Aus­wer­tung der Video­stu­di­en. Die Tes­tun­gen fan­den unter Auf­sicht des medi­zi­ni­schen Per­so­nals statt.

Die getes­te­te Stich­pro­be unter­teil­te sich in ca. 48 % Män­ner und ca. 52 % Frau­en. Im Durch­schnitt waren die Pro­ban­den ca. 42 Jah­re alt, wobei die jüngs­te Pro­ban­din 16 Jah­re alt war, die ältes­te 59. Fol­gen­de Ska­len wur­den zur Bewer­tung des Sys­tems eingesetzt:

Als Test­auf­ga­be für die mul­ti­moda­le Gang­schu­le soll­te eine Spiel­fi­gur (ein soge­nann­ter Ava­tar) mit Hil­fe der Sen­so­ren und der eige­nen Bewe­gun­gen durch eine inter­ak­ti­ve Benut­zer­ober­flä­che gesteu­ert wer­den. Das Gleich­ge­wicht konn­te über das dar­ge­stell­te Seil und die Fuß­soh­len eigen­stän­dig von den Pro­ban­den kon­trol­liert wer­den. Es wur­de unter­sucht, inwie­weit die­se bei­den Feed­back­me­cha­nis­men, „Seil“ und „Fuß­soh­len“, dabei hal­fen, das Gleich­ge­wicht zu hal­ten und die Gewichts­ver­tei­lung zu kon­trol­lie­ren. Eben­so wur­de abge­fragt, inwie­weit das the­ra­peu­ti­sche Ziel der Gang­schu­le nach­voll­zieh­bar ist. Im Fol­gen­den wer­den die Ergeb­nis­se der Fra­ge­bo­gen­aus­wer­tung vorgestellt.

Das the­ra­peu­ti­sche Ziel der Gang­schu­le, die mit der sen­sor­ge­stütz­ten Tech­nik und der inter­ak­ti­ven Übungs­um­ge­bung umge­setzt wur­de, konn­te von den Pro­ban­den über­wie­gend erkannt wer­den. Sie ant­wor­te­ten auf das Item „Für mich ist gut nach­voll­zieh­bar, wel­ches the­ra­peu­ti­sche Ziel mit dem Spiel erreicht wer­den soll“ im Durch­schnitt mit „stimmt“ (MW 1,42; von „stimmt“ = 1 bis „stimmt nicht“ = 5). Eben­so konn­ten die Teil­neh­mer die drei spiel­ba­sier­ten Übun­gen selbst­stän­dig durch­füh­ren (MW = 1,81; von „sehr selbst­stän­dig = 1 bis „nicht selbst­stän­dig“ = 5), auch wenn sie weni­ger tech­ni­kaf­fin waren. Hier­bei muss aller­dings berück­sich­tigt wer­den, dass die Pro­ban­den auf frei­wil­li­ger Basis an den Tests teil­nah­men und sich sehr wahr­schein­lich dazu von vorn­her­ein Men­schen bereit­erklär­ten, die eine gewis­se Tech­ni­kaf­fi­ni­tät auf­wei­sen. Die Info rma­tio­nen, die dem Pro­ban­den zu sei­ner erreich­ten Trai­nings­leis­tung durch das The­ra­pie­sys­tem über­mit­telt wur­den, waren im Durch­schnitt aus­rei­chend, wie die fol­gen­den Ergeb­nis­se belegen:

Auf die Aus­sa­ge „Mei­ne erreich­te Leis­tung wur­de mir plau­si­bel prä­sen­tiert, und ich konn­te mit der Dar­stel­lung etwas anfan­gen“ ant­wor­te­ten die Pro­ban­den im Schnitt mit „stimmt über­wie­gend“ (MW 1,72; von „stimmt“ = 1 bis „stimmt nicht“ = 5). Aus der frei­en Ant­wort­ka­te­go­rie geht aller­dings her­vor, dass die Pro­ban­den sich bei der Prä­sen­ta­ti­on ihrer erreich­ten Leis­tun­gen einen stär­ke­ren the­ra­peu­ti­schen Bezug und weni­ger eine spie­le­ri­sche Dar­stel­lung in Form von Punk­ten wünschen.

Die Kon­trol­le des Gleich­ge­wichts wäh­rend der Übungs­aus­füh­rung wur­de über zwei Feed­back­sys­te­me rea­li­siert: zum einen über das oben erwähn­te simu­lier­te Seil, das sei­ne Infor­ma­tio­nen aus Druck- und Zugsen­so­ren erhält, zum ande­ren aus Druck­sen­so­ren, ver­baut in Ein­le­ge­soh­len, die dann gra­fisch als Füße auf dem Bild­schirm prä­sen­tiert werden.

Die 30 Pro­ban­den äußer­ten sich zu der Aus­sa­ge „Das vir­tu­el­le Seil half mir dabei, mei­ne Gewichts­ver­tei­lung per­ma­nent zu kon­trol­lie­ren“ auf einer 5‑stufigen Ska­la von „stimmt“ (1) bis „stimmt nicht“ (5) im Durch­schnitt mit „stimmt über­wie­gend“ (MW 1,96). Das Item „Die auf dem Bild­schirm sicht­ba­ren Füße nutz­te ich, um mei­ne Gewichts­ver­tei­lung per­ma­nent zu kon­trol­lie­ren“ beant­wor­te­ten sie im Durch­schnitt mit „weder/noch“ (MW 2,81; von „stimmt“ = 1 bis „stimmt nicht“ = 5).

Die Aus­wer­tung der Items zeigt, dass das Seil eher zur Ori­en­tie­rung genutzt wur­de als die Füße. Die Dis­kre­panz zwi­schen den bei­den opti­schen Feed­back­me­cha­nis­men „Seil“ und „Fuß­soh­len“ kann damit erklärt wer­den, dass es ohne anhal­ten­de Übungs­ef­fek­te durch die län­ger­fris­ti­ge Nut­zung des Sys­tems zunächst schwie­rig für den Anwen­der ist, sich auf bei­de Mecha­nis­men gleich­zei­tig zu kon­zen­trie­ren. Die frei­en Ant­wor­ten gaben Auf­schluss dar­über, dass die Pro­ban­den sich bei der Bewäl­ti­gung der Übun­gen zunächst auf den Ava­tar kon­zen­trier­ten und die opti­sche Feed­back­ge­bung anhand der dar­ge­stell­ten Füße kaum wahr­nah­men. Wäh­rend es beim Seil eine opti­sche Ver­bin­dung zwi­schen Ava­tar und Seil gibt, näm­lich der­ge­stalt, dass sich der Ava­tar mit der Hand am Seil fest­hält, wur­den die Fuß­soh­len sepa­rat visua­li­siert. Die opti­sche Ver­bin­dung von Ava­tar und Seil erklärt mög­li­cher­wei­se, war­um die Test­nut­zer eher das Seil zur Gleich­ge­wichts­kon­trol­le benutz­ten als die Fuß­soh­len, bei denen es kei­ne sicht­ba­re Ver­bin­dung zum Ava­tar gab. Es kann aber erwar­tet wer­den, dass die­ser Unter­schied mit zuneh­men­der Übung verschwindet.

Die Aus­wer­tung der frei­en Ant­wort­ka­te­go­rien im ein­ge­setz­ten Fra­ge­bo­gen ergab zudem Hin­wei­se sei­tens der Pro­ban­den, wie die the­ra­peu­ti­sche Ziel­set­zung bes­ser erklärt und die Leis­tungs­rück­mel­dung wei­ter ver­bes­sert wer­den könn­ten. So wür­den selbst­be­stimmt abruf­ba­re the­ra­peu­ti­sche Erklä­run­gen im Vor­feld einer jeden Übung hel­fen, das jewei­li­ge the­ra­peu­ti­sche Ziel noch genau­er zu bestim­men. Eini­ge Pro­ban­den gaben zu Pro­to­koll, dass vor dem Start der Übung ein Spre­cher das the­ra­peu­ti­sche Ziel erklä­ren könn­te. Die Leis­tungs­rück­mel­dung könn­te durch far­bi­ge Bal­ken ergänzt werden.

Die Aus­wer­tung der Gesamt­be­wer­tung von Trai­nings­ge­rät und inter­ak­ti­ver Trai­nings­um­ge­bung ergab, dass die Pro­ban­den die tech­ni­sche Ver­wen­dung von Hand-Pads (MW 1,85), ver­an­kert in einem Wand­schie­nen­sys­tem, und Schu­hen mit der ver­bau­ten Druck­sen­so­rik in den Ein­le­ge­soh­len (MW 2,38) von „leicht“ bis „weder/noch“ beur­teil­ten (auf einer Ska­la von „sehr leicht“ = 1 bis „sehr schwie­rig“ = 5). Die­se Wer­te kön­nen ver­bes­sert wer­den, indem die Sen­si­bi­li­tät vor allem der Hand-Pads wei­ter ver­bes­sert wird, sodass die aus­ge­üb­ten Druck- und Zug­be­we­gun­gen auf die Hand-Pads bes­ser auf die Spiel­fi­gur über­tra­gen wer­den. Auch aus den Video­ana­ly­sen geht her­vor, dass die Bewe­gun­gen nicht immer auch Reak­tio­nen in der Benut­zer­ober­flä­che zur Fol­ge hat­ten. Dies erklärt auch, war­um die Pro­ban­den die Fra­ge danach, wie leicht sie es tech­nisch fan­den, die Spiel­zie­le unter Ver­wen­dung der Sen­so­rik zu errei­chen, im Durch­schnitt mit „weder/ noch“ (MW 2,42; von „sehr leicht“ = 1 bis „sehr schwie­rig“ = 5) beurteilten.

Ins­ge­samt kann aber fest­ge­hal­ten wer­den, dass das ent­wi­ckel­te Gesamt­sys­tem auf Akzep­tanz sei­tens der Nut­zer gesto­ßen ist, die noch ver­bes­sert wer­den kann, wenn die Hin­wei­se der Akzep­tanz­tes­tun­gen ihren Weg in die tech­ni­sche Wei­ter­ent­wick­lung finden.

Zusam­men­fas­sung und Ausblick

In die­sem Bei­trag wur­den die Ent­wick­lungs­ar­bei­ten sowie die Funk­ti­ons­wei­se einer mul­ti­moda­len Gang­schu­le zur Akti­vie­rung der unte­ren Extre­mi­tä­ten dar­ge­stellt. Hier­für wur­den das The­ra­pie­kon­zept mit den ein­zel­nen Übun­gen sowie die zu ana­ly­sie­ren­den Bewe­gungs­ab­läu­fe erläu­tert. Eben­so wur­de der Pro­gramm­ab­lauf für die Aus­füh­rung einer Übung der Gang­schu­le wie­der­ge­ge­ben und die ein­zel­nen Ver­ar­bei­tungs­schrit­te der Bewe­gungs­ana­ly­se beschrie­ben, die zu der Feed­back­ge­bung an den Nut­zer führt. Abschlie­ßend wur­den ers­te Ergeb­nis­se aus Akzep­tanz­tes­tun­gen im Reha-Zen­trum Lüb­ben präsentiert.

Mit der Eva­lua­ti­on konn­te nach­ge­wie­sen wer­den, dass das Sys­tem bei den Nut­zern über­wie­gend auf Akzep­tanz stößt. Ein­zel­ne Rück­mel­dun­gen der Nut­zer bie­ten geeig­ne­te Hin­wei­se, das Gesamt­sys­tem in Fol­ge­pro­jek­ten zu opti­mie­ren. Die Pro­jekt­er­geb­nis­se sol­len Anwen­dern auch über die Pro­jekt­lauf­zeit hin­aus demons­triert wer­den. Hier­für wer­den die Pro­jekt­part­ner die ent­spre­chen­den Sys­tem­auf­bau­ten vor­hal­ten. Das lang­fris­ti­ge Ziel ist es, das ent­wi­ckel­te Bewe­gungs­pro­gramm von RehaIn­ter­act zu erwei­tern und in der Ver­sor­gungs­struk­tur des Gesund­heits­we­sens zu verankern.

Für die Autoren:
Dr. Micha­el John
Fraun­ho­fer FOKUS
Kai­se­rin-Augus­ta-Allee 31
10589 Ber­lin
michael.john@fokus.fraunhofer.de

Begut­ach­te­ter Beitrag/reviewed paper

Zita­ti­on
John M, Kock G, Häus­ler B, Groh­nert A, Lie­bach J, Wolsch­ke M, Smu­raw­ski A, Som­mer­feld K. Das Pro­jekt RehaIn­ter­act – Ent­wick­lung einer sen­sor­ba­sier­ten Gang­schu­le zur Akti­vie­rung der unte­ren Extre­mi­tä­ten. Ortho­pä­die Tech­nik, 2016; 67 (9): 18–23
  1. Welsch N. Leben ohne Tod? For­scher besie­gen das Altern. Ber­lin, Hei­del­berg: Sprin­ger Spec­trum, 2015
  2. Ham­di O, Cha­louf MA, Ouatta­ra D, Krief F. eHe­alth: Sur­vey on rese­arch pro­jects, com­pa­ra­ti­ve of tele­mo­ni­to­ring archi­tec­tures and main issu­es. Jour­nal of Net­work and Com­pu­ter App­li­ca­ti­ons, 2014; 46: 100–112
  3. Per­ry J. Gang­ana­ly­se. Norm und Patho­lo­gie des Gehens. Mün­chen: Urban & Fischer Ver­lag, 2003
  4. Götz-Neu­mann K. Gehen ver­ste­hen. Gang­ana­ly­se in der Phy­sio­the­ra­pie. Stutt­gart: Georg Thie­me Ver­lag, 2003
  5. Groh­nert A, Boel­ke A, Hae­us­ler B, Irm­scher B, John M, Kliem A, Kock G, Piesk J, Polak M. RehaIn­ter­Act – Der sen­sor­ba­sier­te The­ra­pie­raum der Zukunft. In: Weis­be­cker A, Bur­mes­ter M, Schmidt A (Hrsg.). Mensch und Com­pu­ter 2015. Work­shop: Fach­kon­fe­renz Mensch und Com­pu­ter 2015, 06–09 Sep­tem­ber 2015, Stutt­gart. Ber­lin: De Gruy­ter Olden­bourg, 2015: 595–604
  6. Kliem A, Boel­ke A, Groh­nert A, Tra­eder N. Self-adap­ti­ve midd­le­wa­re for ubi­qui­tous medi­cal device inte­gra­ti­on. IEEE 16th Inter­na­tio­nal Con­fe­rence on e‑Health Net­wor­king, App­li­ca­ti­ons and Ser­vices (Health­com), 15–18 Octo­ber 2014. Natal, 2014: 298–304
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