Digitaler Zwilling Exoskelett unterstützt nach Schlaganfall

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Forschende haben ein System entwickelt, mit dem Patienten schon kurz nach einem Schlaganfall wieder lernen können, von Lähmungen betroffene Arme und Hände zu bewegen. Eine gezielte Anregung der Muskulatur im Unterarm, ein Exoskelett und der digitale Zwilling machen es möglich.

Forschende der Technischen Universität München (TUM) regen durch so genannte funktionale Elektrostimulation (FES) gezielt Muskeln im Unterarm an. Das ist etwa nötig, um Finger zu bewegen, Dinge zu greifen oder Bälle zu fangen. Da bei einer halbseitigen Lähmung nach einem Schlaganfall in der Regel jedoch nicht nur die Hand betroffen ist, sondern die gesamte Körperseite, unterstützt ein Gerüst zusätzlich den gesamten Arm bis zur Schulter.

24 Schlaganfall-Betroffene haben das Gesamtsystem aus einem Exoskelett für Arm und Schulter in Kombination mit der FES im Rahmen des Forschungsprojektes ReHyb bereits eingesetzt – die Hälfte von ihnen in der Schön Klinik Bad Abling Harthausen, die die Leitung der Studie übernommen hatte.

Modulares System mit Computerspiel: Selbstständig trainieren

Um das Greifen und Bewegen des Arms sehr schnell nach dem Schlaganfall zu trainieren, setzen die Forschenden auch auf ein Computerspiel, das sich im Schwierigkeitsgrad automatisch an die Fähigkeiten der Nutzenden anpasst: Auf einem Bildschirm kommen Bälle in verschiedenen Farben und Geschwindigkeiten auf die Patienten zugeflogen. Die Aufgabe besteht darin, die Bälle zu fangen und den entsprechenden verschiedenfarbigen Fächern zuzuordnen.

Das Erfolgsgeheimnis: Digitaler Zwilling und Exoskelett

Im Zentrum der Entwicklung von TUM-Professorin Sandra Hirche steht ein digitaler Zwilling, der die individuellen Voraussetzungen jedes Patienten erfasst und in einen Regelkreis bringt. Denn unter anderem müssen die Forschenden bestimmen, wie gut jeder Patient Arm und Hand bewegen kann. Bei einem Schlaganfall können Lähmungen beispielsweise durch eine Beschädigung des für die Bewegung zuständigen motorischen Areals im Gehirn entstehen. Doch lässt sich nicht vorhersagen, wie stark die Signale nach dem Schlaganfall beeinträchtigt sein werden, die vom Gehirn bis zur Muskulatur im Unterarm weitergeleitet werden. „Einzelne Muskelstränge in der Unterarmmuskulatur lassen sich im richtigen Maße anregen, um Hand und Finger zu bewegen“, sagt die Forscherin vom Lehrstuhl für Informationstechnische Regelung.

Zudem müssen die Forschenden wissen, wie stark die Muskulatur stimuliert werden und wie stark das Exoskelett assistieren sollte. „Mithilfe von Algorithmen bringen wir diese individuellen Informationen in einem Regelkreis zusammen“, sagt die Expertin für Regelungstechnik Hirche. Dieser digitale Zwilling ist also nötig, um die Bewegung von Arm und Hand bei betroffenen Menschen individuell zu unterstützen.

Was zum digitalen Zwilling des Systems gehört

• Muskelaktivität erfassen: Der Bewegungsapparat, die motorische Kontrolle und das Muskelnervensystem sind jeweils unterschiedlich stark vom Schlaganfall betroffen. Über eine Messung der elektrischen Spannung im Muskel lässt sich herausfinden, wie stark Nerven beeinträchtigt sind, die Signale vom Gehirn zu den Muskeln schicken sollen und letztlich für die Bewegung der Finger und der Hände zuständig sind.

• Unterarmmuskulatur stimulieren: Für die funktionale Elektrostimulation (FES) wird den Betroffenen eine Folie mit 32 Elektroden auf den Unterarm aufgeklebt. Je nachdem, welche Elektroden aktiviert werden, bewegen sich einzelne Finger, die Hand streckt sich oder zieht sich zusammen. Der Schwellenwert, ab dem sich Finger und Hand bewegen, ist individuell einstellbar.

• Mit Exoskelett stützen: Ein Exoskelett erleichtert es Betroffenen etwa über einen Federmechanismus oder über spezifische Motoren, ihren Arm oder ihre Schulter bewegen und drehen zu können. Diese Unterstützung ist nötig, da die Muskulatur der Arme durch die Erkrankung bereits geschwächt ist. Zudem wäre es schwierig, Elektroden etwa an der Schulter so anzubringen, dass die richtigen Muskeln angesteuert werden. Das Exoskelett trägt dazu bei, dass Patientinnen und Patienten wieder lernen, Hand, Arm und Schulter gemeinsam koordiniert zu bewegen.

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