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