Vergleich zur klinischen Nutzbarkeit der Exoskelette ReWalk, Ekso und HAL

Einleitung

Weltweit erleiden jährlich ca. 130.000 Menschen eine Querschnittlähmung. Die Folge ist meist eine dauerhafte Abhängigkeit vom Rollstuhl. Neben den körperlichen Veränderungen empfinden die Betroffenen insbesondere die Offensichtlichkeit ihres Zustandes als unangenehm. Das Sitzen im Rollstuhl und das „Aufschauen” zu den Mitmenschen sowie die Einschränkungen in der Mobilität, insbesondere in unebenem Gelände oder beim Überwinden von Höhenunterschieden wie beispielsweise Treppen, werden als besonders belastend beschrieben. Um diese Situation zu verbessern, einem querschnittgelähmten Menschen die Möglichkeit zu geben, wieder zu stehen und zu gehen, seinen Mitmenschen auf Augenhöhe zu begegnen und die aktuellen Grenzen seiner Mobilität zu überwinden, wird bereits seit den 1970er Jahren an der Entwicklung von Exoskeletten geforscht. Für die hier vorgestellte Studie wurden drei verschiedene Exoskelettsysteme im Hinblick auf ihre klinische Nutzbarkeit getestet.

Methoden

Von Januar bis Juni 2013 wurden die Exoskelette ReWalk und Ekso im Zentrum für Rückenmarkverletzte der Berufsgenossenschaftlichen Kliniken in Halle (Saale) getestet. Seit April 2014 ist die Exoskeletttherapie dort fester Bestandteil der Behandlung. Neben dem Ekso wird nun auch der HAL zur Therapie eingesetzt.

22 Patienten erhielten bis zum aktuellen Zeitpunkt eine Therapie mit einem der Exoskelette. Die Läsionshöhen der Patienten variierten von C7 bis L1, ASIA A. Das Gewicht lag zwischen 55 und 100 kg, das Alter zwischen 34 und 62 Jahren. Die Dauer der bestehenden Querschnittlähmung variierte von 6 Monaten bis 29 Jahren. Alle Patienten verwendeten im Alltag einen Aktivrollstuhl.

Zur Überprüfung des zeitlichen Aufwandes für die Therapie wurden die Zeiten für Umbau und Anpassung der Exoskelette sowie für das An- und Ablegen gemessen. Die jeweilige Dauer für Balance- und Gangtraining wurde ermittelt. Auch wurde die Anzahl der erforderlichen Therapeuten notiert. Der Therapiezeitraum lag zwischen 2 und 10 Wochen, die Anzahl der Therapieeinheiten je Patient zwischen 2 und 30, wobei eine Therapieeinheit das maximal 45-minütige Gehen einschließlich An- und Ablegen des Exoskelettes umfasst. Parallel zu diversen medizinischen Untersuchungen erfolgte die Überprüfung der Praktikabilität der jeweiligen Exoskelette für den klinischen Alltag. Ziel war und ist es, Indikationen sowie Kontraindikationen für die Exoskeletttherapie zu eruieren, einen Therapiealgorithmus zu entwickeln, die physischen und psychischen Auswirkungen der Therapie zu ermitteln und mögliche technische Schwachstellen aufzuzeigen.

Ergebnisse

Bisher wurden 110 Therapieeinheiten im ReWalk, 61 im Ekso und 41 im HAL durchgeführt. Sowohl für ReWalk als auch für Ekso lag die durchschnittliche Dauer des Balance-Trainings zwischen 4 und 5 Minuten, die Gehdauer bei 29 bis 34 Minuten. Für den HAL war kein Balance-Training erforderlich, die Gehzeit lag hier bei durchschnittlich 15 bis 25 Minuten pro Therapieeinheit.

Die Zeit zum Umbau der Exoskelette betrug für den ReWalk durchschnittlich 45 Minuten, für den Ekso 10 Minuten und für den HAL 20 Minuten. Die Zeit für das An- und Ablegen des Therapiegerätes betrug für den ReWalk durchschnittlich 25 Minuten, für den Ekso 10 Minuten und für den HAL 30 Minuten. Hieraus ergibt sich für den ReWalk ein Gesamtzeitbedarf je Therapieeinheit von ca. 105 Minuten, für den Ekso von 60 Minuten und für den HAL von 85 Minuten bei einer Gehdauer von 35 Minuten. Keiner der Patienten war in der Lage, das Therapiegerät selbstständig anzulegen.

Bei allen Exoskeletten waren zu Beginn immer zwei Therapeuten pro Therapieeinheit erforderlich, bei Ekso und HAL konnte dies, abhängig von der Lähmungshöhe, im weiteren Verlauf auf einen Therapeuten reduziert werden.

Im Rahmen der Therapien ergaben sich folgende Besonderheiten:

ReWalk und Ekso

Stehen, Gehen sowie Aufstehen/Hinsetzen erfolgen über computergesteuerte Motoren. Während der Therapie muss über eine „Uhr” das jeweils gewünschte Programm ausgewählt werden. Dieses wird über eine Neigung des Rumpfes und hieraus resultierende Schwerpunktverlagerung gestartet. Schrittlänge, ‑weite, ‑dauer etc. müssen vor der Therapie eingestellt und ggf. während der Therapie angepasst werden. Hierzu muss die Therapie unterbrochen werden. Für den ReWalk müssen die Parameter für jeden Patienten probatorisch ermittelt werden, für den Ekso liegt ein Maßblatt mit Empfehlungen abhängig von Körpergröße, Beinlänge etc. bei.

Patienten mit Kontrakturen der Hüft- bzw. Kniegelenke über 10°, Beinlängenunterschieden von mehr als 2 cm oder einliegenden Hüftendoprothesen können das Exoskelett nicht nutzen. Zum Erreichen der Position für das Aufstehen ist eine Hüftbeugung von ca. 130° erforderlich. Bei einliegender Hüftendoprothese kann es hierbei zur Luxation kommen.

Beim Gehen kommt es zur motorgetriebenen Streckung im Hüftgelenk. Bei Kontrakturen besteht hierbei die Gefahr eines Sehnenausrisses. Beugekontrakturen im Kniegelenk führen zu einem funktionellen Beinlängenunterschied. Hierdurch ist die adäquate Entlastung des Schwungbeines nicht möglich, das Gehen wird erschwert.

Die Therapie von Patienten mit Rotationsfehlern oder Achsabweichungen im Bereich der unteren Extremitäten kann probatorisch erfolgen; je größer die Abweichung von der normalen Anatomie ist, umso höher ist jedoch die Gefahr von Überlastungen der angrenzenden Gelenke.

Die beigefügten Unterarmgehstützen müssen für den Vorgang des Aufstehens/Hinsetzens weit nach dorsal geführt werden. Hierzu ist eine gute Beweglichkeit im Schultergürtel erforderlich (Abb. 1).

Bei keinem der beiden Geräte ist während des Gehens eine Änderung der Schritthöhe oder ‑weite möglich. Hierdurch ist es nicht möglich, Schwellen zu überwinden oder Unebenheiten auszugleichen. Aus Sicht der Autoren sollte daher eine Nutzung nur auf ebenen Flächen unter therapeutischer Aufsicht erfolgen. Die Patienten stimmen mit dieser Ansicht überein.

ReWalk

Der Rumpf ist in der Orthese nicht fixiert, es ist daher eine aktive Rumpfkontrolle erforderlich. Durch die direkte Adaptation der Patienten mittels Gurten an die Orthese kam es zu Druckstellen sowie Hautablederungen im Bereich der Trochanteren, der Fibulaköpfchen und der Malleolen, insbesondere des medialen Malleolus.

Die angebrachten Gurtsysteme ermöglichen keine adäqute Fixierung insbesondere übergewichtiger Patienten. Es kommt zu einer ungewollten Flexion in den Kniegelenken, wodurch eine Verlagerung des Körperschwerpunktes nach dorsal resultiert. Diese wird durch den Rucksack, der den Akku für das Gerät enthält, verstärkt. Um diesem Zustand entgegenzuwirken und ein Fallen nach hinten zu vermeiden, musste der Oberkörper überproportional stark nach vorn gebeugt werden, wodurch eine sehr hohe Last auf die oberen Extremitäten wirkte. Dies führte bei einigen Patienten zur Reaktivierung einer bestehenden Arthrose. Weiterhin war die Verlagerung des Körperschwerpunktes nach ventrolateral deutlich erschwert, das Schwungbein konnte nicht ausreichend entlastet, der Schritt nicht richtig ausgelöst werden. Es kam gehäuft zu Fehlermeldungen und zur Aktivierung des Sicherheitsmodus (Abb. 2). Die Fixierung der unteren Extremitäten wurde zwar in der Zwischenzeit modifiziert. Bezüglich der hieraus evtl. resultierenden Verbesserungen können jedoch keine Angaben gemacht werden.

Das Gangbild beim ReWalk ist durch den Dreipunktgang unphysiologisch. Das nach Angaben des Herstellers mögliche Treppensteigen wurde zwar getestet, dabei zeigte sich allerdings, dass dies mit einer sehr hohen Sturzgefahr sowohl beim Treppauf‑, insbesondere aber beim Treppabgehen behaftet ist. Zum Treppensteigen wird der Handlauf und eine Gehstütze genutzt. Der Oberkörper muss nach der Schritteinleitung auf der Schwungbeinseite nach dorsal verlagert und zur kontralateralen Seite gebeugt werden, um das Schwungbein entsprechend auf die nächste Treppenstufe setzen zu können. Beim Hinabsteigen ist der Höhenunterschied nach unten zu überwinden, der Schwerpunkt verlagert sich weit nach vorn. Ein diesbezüglicher Versuch wurde abgebrochen, da das Treppabgehen als zu gefährlich eingestuft wurde.

Das Gehen an Unterarmgehstützen bereitete den Patienten aufgrund bestehender Unsicherheiten teils Probleme. Durch eine ringartige Fixierung der beigefügten Unterarmgehstützen wird beim Aufstehen/Hinsetzen Druck im Bereich der Ellenbeuge ausgeübt. Hieraus entwickelten sich Hämatome (Abb. 2). Laut Hersteller soll hier eine Änderung erfolgen.

Aus Sicht der Autoren ist der ReWalk als Therapiemittel unter therapeutischer Aufsicht für folgende Patienten geeignet: Gewicht maximal 100 kg; Größe 160 bis 190 cm; komplette Paraplegie mit erhaltener Rumpfstabilität; Normalgewicht sollte aufgrund der genannten Probleme der Fixierung angestrebt werden.

Ekso

Der Rumpf ist über ein Gurtsystem an einer Rückenplatte fixiert, die fest an der Orthese angebracht ist. Durch einen breiten Bauchgurt kann eine adäquate Stabilisierung des Patienten in der Orthese erfolgen, der Schwerpunkt verbleibt zentral. Der erforderliche Akku befindet sich in einem Rucksack; durch die vorhandene Rückenplatte kommt es jedoch nicht zu einem Zug des Patienten nach dorsal, da diese den Rumpf entsprechend fixiert. Die unteren Extremitäten werden über ein System von Schellen, das in einem gewissen Abstand zur Orthese selbst angebracht ist, fixiert. Hierdurch ist eine sehr hohe Stabilität auch bei übergewichtigen Patienten gegeben (Abb. 3 u. 4). Bei keinem der Patienten ergab sich eine Schwerpunktverlagerung nach dorsal. Auch konnten keine Druckstellen ermittelt werden.

Der reziproke Gang ähnelt dem physiologischen Gangbild. Gehen ist sowohl unter Zuhilfenahme eines Gehgestelles als auch von Unterarmgehstützen möglich. Das Gehgestell wird von den Patienten als sehr positiv empfunden, da es insbesondere zu Beginn mehr Sicherheit vermittelt als Unterarmgehstützen (Abb. 4).

Zudem besteht beim Ekso die Möglichkeit der Nutzung des sogenannten Variable Assist. Hierdurch kann eine evtl. bestehende Restmuskelfunktion der unteren Extremitäten aktiv genutzt werden, die Leistung der Motoren wird entsprechend angepasst. Als schwierig wird die Notwendigkeit der Anpassung an den Schrittzyklus des Exoskeletts beschrieben, da dieser nicht aktiv vom Patienten gesteuert werden kann.

Aus Sicht der Autoren ist der Ekso als Therapiemittel unter therapeutischer Aufsicht zur Therapie folgender Patienten geeignet: komplette und inkomplette Para- und Tetraplegiker; Gewicht maximal 100 kg; Körpergröße 150 bis 190 cm; eine Stabilisierung der oberen Extremitäten, insbesondere im Bereich von Ellenbogen und Handgelenk, muss aktiv möglich sein; die Gehhilfen müssen sicher genutzt werden können. Bei inkompletter Querschnittlähmung muss sich der Patient an den Schrittzyklus des Gerätes anpassen, kann jedoch seine eigene Muskelkraft mittels Variable Assist nutzen.

HAL

Anders als ReWalk und Ekso wird der Schritt beim HAL über myoelektrische Potenziale eingeleitet und gesteuert. Hierzu werden Elektroden auf den entsprechenden Muskelgruppen an der unteren Extremität angebracht, die mit einem Computer verbunden sind (Abb. 5). Dieser koordiniert, abhängig von den ermittelten Potenzialen, den Schrittzyklus sowie die erforderliche Unterstützung der jeweiligen Muskelgruppen, abhängig von der aktuellen Schrittphase. Durch diesen Mechanismus ist es dem Patienten möglich, den Schritt selbstständig zu steuern. Ebenfalls kann der Schritt in Höhe und Länge variiert werden, was ein Überwinden von Hindernissen möglich macht.

Es besteht keine Möglichkeit, während der Ruhephase über eine fixierte Extension der Knie- und Hüftgelenke eine Erholung des Patienten zu erreichen. Um dies zu gewährleisten, ist eine Therapie mittels Woodway erforderlich, oder der Patient muss genug Kraft haben, die Extension der Hüft- und Kniegelenke selbstständig halten zu können (Abb. 6).

Aufgrund dieser Erfordernisse ist eine Therapie im HAL für inkomplett querschnittgelähmte Patienten, die mindestens einen Kraftgrad nach Janda von 3/5 für Hüftbeugung und Kniestreckung haben, geeignet. Unterhalb dessen sollten Therapiealternativen erwogen werden.

Das Gehen kann auf einem Laufband sowie unter Zuhilfenahme von Hilfsmitteln wie beispielsweise einem Gehwagen auch in der Ebene erfolgen (Abb. 7). Das Gehen an Unterarmgehstützen sowie das freie Gehen wurden noch nicht getestet, beides wird jedoch unter entsprechenden Voraussetzungen als möglich erachtet. Unter Nutzung des Woodway können vermutlich auch Patienten mit verminderter Rumpfkontrolle und Kraft im Bereich der oberen Extremitäten therapiert werden, hierzu liegen jedoch keine praktischen Erfahrungen vor.

Limitierend für die Therapie erscheint zum aktuellen Zeitpunkt die Normierung der vorhandenen Therapiegeräte. Diese basiert auf einem asiatischen Standard, der das europäische Patientengut nicht ausreichend erfasst. Insbesondere die Weitenregulierung des Beckenbügels erscheint hier problematisch. Ein weiteres Problem ist die sehr kurze Akkulaufzeit im Rahmen der Therapie. Bei aktiver Nutzung ist bereits nach 15 bis 20 Minuten ein Wechsel des Akkus erforderlich.

Aus Sicht der Autoren ist der HAL als Therapiemittel unter therapeutischer Aufsicht zur Therapie folgender Patienten geeignet: komplett und inkomplett querschnittgelähmte Patienten mit einem Kraftgrad von mindestens 3/5 nach Janda für Hüftbeugung und Kniestreckung; Körpergröße zwischen 150 und 190 cm; Gewicht maximal 95 kg.

Schlussfolgerung

Die Entwicklung von Exoskeletten ist eine weitere Möglichkeit, die Therapie querschnittgelähmter Menschen zu verbessern. Zum aktuellen Zeitpunkt existiert auf dem Markt kein den Autoren bekanntes Gerät, das für die private Nutzung geeignet ist. Das Hauptproblem hierbei besteht darin, dass eine Anpassung des Schrittes in Höhe und Länge während des Gehens nicht möglich ist. Somit ist ein Überwinden von Hindernissen oder ein Ausgleichen von Unebenheiten nicht möglich. Derzeit ist das Gehen mit einem Exoskelett auf ebenem Untergrund und unter Aufsicht geschulter Therapeuten möglich und sicher. Exoskelette sind daher generell als Therapiegeräte und nicht als Hilfsmittel einzustufen. Dieser Ansicht stimmen alle Patienten, die eine Therapie mit einem der Exoskelette erhielten, zu.

Zwar ist es mit dem HAL möglich, Schrittlänge und ‑weite während der Therapie zu ändern, aufgrund seiner Komplexität ist er aus Sicht der Autoren zum aktuellen Zeitpunkt jedoch ausschließlich als Therapiegerät einzustufen.

Die Therapie mit einem Exoskelett geht mit einem hohen Zeit- und therapeutischen Aufwand einher. Erste Untersuchungen zeigen jedoch viele positive Effekte sowohl auf physischer als auch auf psychischer Ebene, welche diesen Aufwand rechtfertigen.

Die derzeit bei allen getesteten Geräten bestehenden Größen- und Gewichtsbegrenzungen limitieren die Nutzbarkeit im klinischen Alltag. Insbesondere die Gewichtsgrenze von 100 kg führte häufig dazu, dass Patienten nicht therapiert werden konnten. Daher ist ein Maximalgewicht von 125 kg anzustreben.

Aufgrund der aktuell bestehenden Einschränkungen in der Nutzbarkeit der Exoskelette stellen sie zum jetzigen Zeitpunkt noch keinen Ersatz für den Rollstuhl dar. Die weitere Entwicklung wird jedoch mit Spannung erwartet.

* ReWalk, ARGO Medical Technologies, Yokneam Ilit, Israel

** Ekso, Ekso Bionics, Richmond, California, USA

*** HAL, Cyberdyne Care Robotics, Bochum, Deutschland/Tsukuba, Japan

Für die Autoren:
Jane Nitschke
BG Klinikum Bergmannstrost
Merseburger Straße 165
06112 Halle (Saale)
j.nitschke@gmx.net

Begutachteter Beitrag/reviewed paper

Zitation
Nitschke J, Kuhn D, Fischer K, Röhl K. Vergleich zur klinischen Nutzbarkeit der Exoskelette ReWalk, Ekso und HAL. Orthopädie Technik, 2014; 65 (9): 22–27