Kli­ni­sche Ergeb­nis­se mit dem Arm­the­ra­pie­ro­bo­ter ARMin

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.

Anzei­ge

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

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