Erzeugung von Bewegungsabläufen bei Schlaganfallpatienten

Jahrbuch 2008/2009 | Schauer, Thomas; Raisch, Jörg | Erzeugung von Bew egungsabläufen bei
Schlaganfallpatienten durch geregelte Elektrostimulation
Erzeugung von Bewegungsabläufen bei Schlaganfallpatienten durch
geregelte Elektrostimulation
Generation of movement patterns for stroke patients by means of
controlled electrical stimulation
Schauer, Thomas; Raisch, Jörg
Max-Planck-Institut für Dynamik komplexer technischer Systeme, Magdeburg
Korrespondierender Autor
E-Mail: [email protected]
Zusammenfassung
Die Rehabilitation nach einem Schlaganfall erfordert ein häufiges Üben beeinträchtigter Bew egungsabläufe, um
verlorengegangene Körperfunktionen w ieder zu erlernen. Eine Möglichkeit zur Generierung von Bew egungen
bei Lähmungen stellt die funktionelle Elektrostimulation (FES) dar. Hierdurch w erden die betroffenen Muskeln
aktiviert und dem Nervensystem somit besonders viele Reize für die Bahnung motorischer Funktionen zur
Verfügung gestellt. Genügend präzise Bew egungsabläufe lassen sich nur durch den Einsatz einer Regelung
erzielen, bei der der Bew egungszustand fortlaufend erfasst und die Stimulation entsprechend angepasst w ird.
Summary
Rehabilitation after stroke requires repetitive exercising of impaired movements to relearn lost motor
functions. Functional electrical stimulation (FES) represents one possibility to generate movements in the
presence of paresis. Using this method, paretic muscles are activated. This provides efficient stimuli for the
central nervous system to enhance motoric facilitation. How ever, precise movements can only be realized by
electrical stimulation if the latter is embedded into a feedback control loop, w here the stimulation intensity is
permanently adapted depending on the continuously measured state of the movement.
Schlaganfall ist die häufigste Ursache für lang anhaltende Behinderungen in den industrialisierten Ländern.
Allein in Deutschland erleiden ca. 250.000 Menschen pro Jahr einen Schlaganfall. In der Regel w ird hierdurch
die Motorik der Betroffenen beeinträchtigt, w obei die teilw eisen Lähmungen (Paresen) gew öhnlich nur eine
Körperhälfte
betreffen.
Rund
ein
Drittel
aller
Schlaganfallpatienten
bleibt
trotz
intensiver
Rehabilitationsmaßnahmen dauerhaft behindert. Es existiert deshalb ein großer Bedarf an neuen Verfahren
und technischen Hilfen für die motorische Rehabilitation von Schlaganfallpatienten, um die Genesung der
Betroffenen zu beschleunigen. Grundlage der neurologischen Rehabilitation nach einem Schlaganfall ist das
w iederholte Üben der von der Lähmung betroffenen Bew egungsmuster. Hierdurch w ird das zentrale
Nervensystem mit Reizen, die der zu erlernenden Bew egung zugeordnet sind, versorgt. Ein W iedererlernen
von Bew egungen ist dann aufgrund der Anpassungsfähigkeit (Plastizität) des Gehirns möglich. Nicht vom
Schlaganfall betroffene Areale im Gehirn übernehmen hierbei die Aufgaben der gestörten Bereiche. Dieser
Prozess ist mitunter sehr langsam und erfordert unter anderem eine große Zahl von Übungseinheiten. Je nach
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Prozess ist mitunter sehr langsam und erfordert unter anderem eine große Zahl von Übungseinheiten. Je nach
Grad der Lähmung benötigen die Patienten w ährend der Bew egungstherapie Hilfe. Neben der manuellen
Therapie durch Physiotherapeuten hat sich der Einsatz von Maschinen zur Bew egungsunterstützung in der
Praxis bew ährt. Letztere erlauben es, Bew egungsabläufe der Arme und Beine sehr viel öfter und genauer zu
realisieren, als dies bei der manuellen Therapie möglich w äre. Außerdem w erden durch die maschinelle
Unterstützung Therapeuten von oft schw erer körperlicher Arbeit, w ie sie beispielsw eise bei der Gangtherapie
von Patienten mit schw eren Lähmungserscheinungen notw endig ist, entlastet.
Funktionelle Elektrostimulation (FES) der gelähmten Muskeln
Eine andere Maßnahme zur Generierung von Bew egungen ist die Reizung der zentral (d. h. von einer
Schädigung des zentralen Nervensystems herrührend) gelähmten Muskulatur mittels künstlicher elektrischer
Stimulationsimpulse. Die Stimulation erfolgt auf indirekte Art und Weise über Klebeelektroden auf der Haut:
Statt der Muskelfasern selbst w erden die die gelähmten Muskeln versorgenden Nerven stimuliert, w eil diese
eine w esentlich geringere Reizschw elle besitzen. Im Gegensatz zu den oben genannten Maßnahmen zur
Bew egungsunterstützung w ird bei der FES die betroffene Muskulatur aktiv einbezogen. Dies w irkt sich in
zw eierlei Hinsicht positiv aus: Zum einen senden körpereigene Sensoren für Muskelkraft und -länge verstärkt
Signale an das Rückenmark und Gehirn und fördern so den Prozess der motorischen Bahnung. Zum anderen
können hierdurch Muskeln aufgebaut bzw . kann dem Abbau von Muskeln als Folge
der Lähmung
entgegengew irkt w erden. In der klinischen Praxis steht z. Z. noch der zw eite Effekt im Vordergrund. Aus einer
Reihe von Gründen ist die Erzeugung präziser Bew egungen durch FES eine anspruchsvolle Aufgabe:
- Das dynamische Verhalten der stimulierten Muskulatur ist nichtlinear und zeitveränderlich (Muskelermüdung).
- Patienten sind in der Regel nicht komplett gelähmt und können die Stimulation unterstützen. Dies macht es
jedoch schw ierig, die notw endige Stimulationsintensität vorherzusagen.
- Durch die Stimulation können ungew ollte Reflexe ausgelöst w erden, w elche die gew ünschte Bew egung
hemmen. Bei vielen Patienten treten beispielsw eise Spastiken (geschw indigkeitsabhängiger W iderstand
gegen Bew egungen) auf.
Eine Lösung des Problems erfordert die Verw endung einer Regelung (Rückkopplung). Hierbei w ird das
Ergebnis der Stimulation fortlaufend mittels spezieller Messverfahren und Sensoren überw acht und im Falle
einer Abw eichung vom gew ünschten Verhalten eine zielgerichtete Anpassung der Stimulationsparameter
vorgenommen. Im Folgenden w erden beispielhaft zw ei Systeme zur Bew egungsgenerierung mit geregelter
Elektrostimulation für Schlaganfallpatienten vorgestellt.
FES-Fahrradergometer für Schlaganfallpatienten
Das
Fahrradfahren
mit
einem
Ergometer
gehört
mittlerw eile
zur
Standardtherapie
eines
jeden
Schlaganfallpatienten. Mittels spezieller Ergometer können auch schw er betroffene Patienten solche Übungen
vom Rollstuhl aus durchführen. Zur optimalen Unterstützung oder Hemmung der Bew egung in Abhängigkeit
vom Zustand der Patienten w erden häufig Elektromotoren in die Ergometer integriert. Die Bew egungsmuster
beim
Fahrradfahren
und
Gehen
zeigen
auffällige
Ähnlichkeiten.
Beide
Muster
sind
zyklisch
mit
phasenverschobenen Muskelaktivitäten bezüglich beider Beine. Dies lässt den Rückschluss zu, dass
Fahrradfahren eine geeignete Vorbereitung für eine Gangtherapie darstellt. Fahrradfahren führt ferner zu
Verbesserungen von Muskelkraft, Herz-Kreislauf-Funktionen und Ausdauer. Dies begünstigt eine erfolgreiche
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W iederherstellung der Gehfähigkeit.
In
Zusammenarbeit
mit
der
Firma
HASOMED
w urde
ein
motorunterstütztes
Ergometersystem
mit
Elektrostimulation entw ickelt (Abb. 1). Fahrradfahren mit Elektrostimulation begünstigt einen schnelleren
Muskelaufbau und stellt dem zentralen Nervensystem intensivere Bew egungsreize zur Verfügung. Des
Weiteren hilft die Stimulation dem Patienten bei der Einübung des korrekten Bew egungsmusters. Mit dem
realisierten System können bis zu 8 Muskelgruppen synchron zur Tretbew egung stimuliert w erden. In der
Regel w erden Kniestrecker und -beuger sow ie die Hüftstrecker benötigt. Damit die Muskeln zum richtigen
Zeitpunkt aktiviert und deaktiviert w erden können, w ird die Beinstellung fortlaufend über eine Messung des
Kurbelw inkels am Ergometer erfasst. Abhängig von Kurbelw inkel und Trittfrequenz erfolgt dann die Stimulation
der verschiedenen Muskeln.
FES-Fa hrra dfa hre n a m FES-Ergom e te r R e ha Move (HASO MED
Gm bH, Ma gde burg).
© HASO MED Gm bH, Ma gde burg
Das entw ickelte FES-Ergometer ist bereits in mehreren neurologischen Kliniken im Einsatz, sodass der klinische
Nutzen des Systems evaluiert w erden konnte. Eine kooperierende Forschungsgruppe aus Mailand führte eine
kontrollierte randomisierte klinische Studie mit 20 Patienten durch, bei der die Kombination von FESFahrradfahren und Standardtherapie mit reiner Standardtherapie gleichen Umfangs verglichen w urde [1]. Das
Trainingsprotokoll beinhaltete eine Stimulation der oben genannten Muskeln und des Fußhebers. Nach
vierw öchigem Training mit täglich 35-minütigem FES-Fahrradfahren zeigte die Gruppe der FES-Fahrradfahrer
signifikant bessere Ergebnisse in Bezug auf motorische Rehabilitation und Muskelstärke als die Kontrollgruppe.
Der in der beschriebenen Studie verw endete Stimulationsansatz zielt auf eine symmetrische Bew egung beider
Beine. Insbesondere sollen die durch jedes Bein erzeugten durchschnittlichen Drehmomente übereinstimmen.
Diese Forderung ist ohne den Einsatz einer komplexen Regelung nicht zu erreichen, da die genaue W irkung
der Stimulation nur schw er vorherzusagen ist. Gelähmtes und gesundes Bein können beispielsw eise
verschieden auf die Stimulation reagieren. Ferner gibt es Variationen in der Stimulationsantw ort von Tag zu
Tag. Gründe hierfür können unterschiedliche Elektrodenpositionen oder auch der Therapiefortschritt des
Patienten sein. In Zusammenarbeit mit Kooperationspartnern w urde eine so genannte Symmetrieregelung
entw ickelt
[2].
Aus
Kraftmessungen
an
beiden
Kurbelarmen
w ird
das
von
jedem
Bein
erzeugte
durchschnittliche Drehmoment pro Tretzyklus ermittelt. Mit einem komplexen Algorithmus w erden dann die
Stimulationsintensitäten für beide Beine individuell angepasst, sodass sich Symmetrie bei maximal erzielbarem
Drehmoment einstellt. Dieses Verfahren w urde erfolgreich an Patienten getestet.
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Weitere
Forschungsarbeiten
zum
FES-Fahrradfahren
haben
sich
mit
der
Ermittlung
von
Stimulationsparametern beschäftigt, die die schnelle Ermüdung elektrisch stimulierter Muskeln hinauszögern.
Wenn ein Muskel beim FES-Fahrradfahren aktiv ist, w ird gew öhnlich eine Folge von Stimulationsimpulsen mit
konstanter Frequenz generiert, die Änderung der Intensität w ird durch Veränderung von Impulsw eite und amplitude bew irkt. Mittels experimenteller Untersuchungen konnte jedoch gezeigt w erden, dass Impulsfolgen
mit variabler Frequenz zu besserer Kraftentw icklung bei geringerer Ermüdung führen [3].
Regelung von Fallfußstimulatoren
Ein Schlaganfall führt häufig zur Beeinträchtigung des Ganges bei den Betroffenen. Insbesondere tritt bei ca.
10–20 Prozent der w ieder gehfähigen Patienten eine unzureichende Fußhebung in der Schw ungphase auf.
Dadurch w ird eine Ausw eichbew egung verursacht, bei der der betroffene Fuß schleifend in einem Halbkreis
nach vorne gezogen w ird. Ein solches Krankheitsbild w ird als Fallfuß (drop-foot) bezeichnet.
Um das normale Gangbild w ieder herzustellen, muss der Fußheber der betroffenen Seite durch Training
gestärkt und w ieder in das Gangmuster integriert w erden. Dies kann durch elektrische Stimulation der
betroffenen Muskulatur erfolgen. Hierzu muss die Stimulation zu einem geeigneten Zeitpunkt w ährend des
Gehens aktiviert w erden.
Erste Ansätze zur Stimulation von Fallfußpatienten existieren bereits seit 1961. Die meisten zurzeit
kommerziell verfügbaren Systeme stimulieren über ein Paar von Klebeelektroden den Wadenbeinnerv (Nervus
peronaeus), w elcher u. a. den Fußheber (M. Tibialis Anterior) innerviert. Durch die Reizung des Nervs w ird neben
der Kontraktion des Fußhebers oft auch ein Reflex ausgelöst, der zu einer Beugung von Knie- und Hüftgelenk
auf der betroffenen Seite führt und somit die Schrittbew egung unterstützt. Die Stimulation w ird bei solchen
Systemen in der Regel mittels eines einfachen Kontaktschalters unter der Fußsohle mit dem Gang
synchronisiert. In der Schw ungphase (kein Bodenkontakt) w ird dann ein fest eingestelltes Stimulationsmuster
ausgegeben. Der Nachteil solch einfacher Fallfußstimulatoren liegt darin, dass die Stimulationsstärke per Hand
angepasst w erden muss, w enn z. B. ein Therapieeffekt beim geschw ächten Muskel auftritt oder w enn die
Elektroden leicht versetzt angebracht w urden. Des Weiteren können sich langsam ändernde Störungen w ie
Ermüdung nicht ausgeglichen w erden. Ein w eiterer Nachteil solcher Systeme ist, dass sie in der Regel
überstimulieren, um sicherzustellen, dass der Muskel ausreichend Kraft erzeugt. Dadurch ermüdet der Muskel
aber vorzeitig.
Eine
konventionelle
Regelung mit kontinuierlichem Soll-Ist-Vergleich ist aufgrund der physiologischen
Randbedingungen (zeitlich begrenzte Schw ungphase (1–3 s), Zeitverzögerung bei der Muskelantw ort) aber
nicht praktikabel. Stattdessen bietet sich an, Elemente von Steuerung (open-loop) und Regelung (closed-loop)
in einer adaptiven beziehungsw eise lernenden Steuerung zu kombinieren: Nach jedem Schritt w ird die
gemessene Bew egung ausgew ertet und als Reaktion das Stimulationsprofil für den nächsten Schritt
a ng e p a s s t. W ährend eines Schrittes erfolgt die Stimulation also „open-loop“. Eine Rückkopplung der
gemessenen Bew egung (Regelung) findet lediglich zw ischen den Schritten statt.
Im Hinblick auf eine praktische Realisierung benötigt man einen unauffälligen Sensor, w elcher den
Sprunggelenkw inkel oder zumindest den W inkel des Fußes bezüglich des Bodens misst. Ein solcher Sensor
existiert bisher nicht. In Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Berlin w urden zw ei geeignete
Sensoren und zw ei Ansätze zur Regelung / adaptiven Steuerung entw ickelt.
Die Verw endung eines vollständigen Inertialsensors (Messung von 3 Beschleunigungen und 3 W inkelraten
orthogonal zueinander) stellt eine Möglichkeit zur Erfassung der Fußhebung und zur Gangphasenerkennung
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dar [4]. Ein solcher Sensor w ird, w ie in Abbildung 2 gezeigt, am Schuh des Patienten befestigt und erlaubt u.
a. die Schätzung des W inkels zw ischen Fuß und Boden. Basierend auf diesem Sensor konnte eine adaptive
Steuerung realisiert w erden, mit der der W inkel des Fußes beim Aufsetzen auf den Boden gezielt angepasst
w erden kann. Hierbei w ird die Amplitude des trapezförmigen Stimulationsverlaufes in der Schw ungphase von
Schritt zu Schritt adaptiert. An der St. Mauritius Therapieklinik in Meerbusch w urde das Konzept mit
Schlaganfallpatienten validiert.
Ine rtia lse nsor zur R e ge lung e ine s Fa llfußstim ula tors a m Schuh
e ine s P a tie nte n.
© Ma x -P la nck -Institut für Dyna m ik k om ple x e r te chnische r
Syste m e
Ein anderer innovativer Ansatz, mit dem der Fußgelenkw inkel direkt bestimmt w erden kann, ist die
Echtzeiterfassung von Änderungen der Bio-Impedanz (BI) des Beines [5,6]. Die aufgrund der Bew egung
verursachten BI-Änderungen korrelieren nahezu linear mit dem Fußgelenkw inkel im interessierenden
W inkelbereich. Zur Bestimmung der BI w ird ein sehr kleiner sinusförmiger Strom mit konstanter Amplitude und
einer Frequenz von 50 kHz am Bein eingespeist. An zw ei vom Einprägungsort verschiedenen Punkten w ird
dann eine vom W iderstand abhängige Spannung gemessen, anhand derer die Bio-Impedanz bestimmt w erden
kann. Basierend auf der W inkelmessung mittels Bio-Impedanz w urde eine iterative lernende Steuerung für
Fallfußstimulatoren entw ickelt. Hierbei soll durch elektrische Stimulation des Fußhebers ein gew ünschter
W inkelverlauf für das Sprunggelenk realisiert w erden. Dieser Ansatz w urde mit gesunden Probanden bereits
erfolgreich in Zusammenarbeit mit der Charité Universitätsmedizin Berlin überprüft [5,6].
Fazit
Die vorgestellten Arbeiten verdeutlichen die Leistungsfähigkeit geeigneter Regelungskonzepte bei der
Generierung gew ünschter Bew egungsmuster durch FES. Voraussetzung für jede Regelung ist jedoch eine
entsprechende Sensorik zur Erfassung des Bew egungszustandes. W ährend eine solche Sensorik für das
Anw endungsbeispiel
FES-Ergometer
existiert,
mussten
für
das
Anw endungsbeispiel
Fallfußstimulator
geeignete Messverfahren entw ickelt w erden.
Originalveröffentlichungen
Nach
Erw eiterungen
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