Kli­ni­sche Ergeb­nis­se mit dem Arm­the­ra­pie­ro­bo­ter ARMin

V. Klamroth-Marganska
Roboter in der Neurorehabilitation werden nicht nur als Assistenzsysteme eingesetzt, sondern unterstützen den Therapeuten auch in der herkömmlichen Therapie. Der Armtherapieroboter ARMin wurde an der ETH Zürich in Zusammenarbeit mit der Universität Zürich entwickelt. Das Gerät ermöglicht ein intensives, aktiv assistiertes Training alltagsrelevanter Tätigkeiten des betroffenen Armes. ARMin wurde bereits in mehreren klinischen Studien erfolgreich auf Wirksamkeit geprüft. Basierend auf den positiven Ergebnissen klinischer Studien wird das Gerät kontinuierlich weiterentwickelt mit dem Ziel, Patienten den Einsatz ihres Armes im Alltag zu ermöglichen.

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

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