Krankheiten des Muskel-, Skelett- und Nervensystems, verursacht durch Geburt oder Traumata, können Schmerzen und Funktionsstörungen verursachen, die Menschen in ihren Bewegungen einschränken. Moderne Technologien, insbesondere im Bereich der Robotik und Sensorik, bieten neue Hoffnung für Patienten, die in ihren täglichen Aktivitäten eingeschränkt sind. Dieser Artikel beleuchtet die vielfältigen Anwendungen neurologischer Sensoren und Roboter in der Rehabilitation und Diagnose neurologischer Erkrankungen.
Robotergestützte Rehabilitation: Ein umfassender Ansatz
Klassische physikalische Therapie- und Rehabilitationsverfahren umfassen eine Reihe von Übungsprogrammen zur Stärkung der Muskelkraft und Knochenstruktur. Gleichzeitig wird versucht, die Rückbildung der vorhandenen Nervenstimulation zu verhindern. Robotische Rehabilitationssysteme sind Geräte, die Menschen bei der Diagnose und Behandlung von Erkrankungen des Muskel-Skelett-Systems und des Nervensystems helfen. Die Roboter-Rehabilitation ermöglicht eine intensive und umfassende Neurorehabilitation von Patienten im Rahmen der Physiotherapie. Die robotische Rehabilitation umfasst die Rehabilitation und Behandlung vieler verschiedener neurologischer und orthopädischer Erkrankungen.
Aktuelle wissenschaftliche Studien deuten darauf hin, dass es im Gehirn Reservezellen gibt und neue Aufgaben erlernt werden können, indem man diese mit einem geeigneten Rehabilitationsprogramm umstrukturiert. Unmittelbar nach der Erkrankung/dem Trauma muss ein umfassendes Physiotherapie- und Rehabilitationsprogramm eingeleitet werden, damit die Patienten zu einem normalen, gesunden Lebensstil zurückkehren können und das geschädigte Organ wieder möglichst gut funktionieren kann. Die Einbeziehung der robotergestützten Rehabilitation in diesen physikalischen Therapieprozess ist ein wichtiger Ansatz, der die Wirksamkeit der Behandlung verbessern kann. Denn bei der robotergestützten Rehabilitation wird den Patienten ein Behandlungsprogramm angeboten, das die neuesten Behandlungsmethoden und die aktuelle Technologie umfasst.
Dank der einstellbaren und programmierbaren Rehabilitationsroboter wird eine patientenspezifische Behandlung konzipiert. So verbessern beispielsweise verstärkte Orthesen mit computergesteuerten Motoren zur Unterstützung der Gelenkbewegung im robotischen Rehabilitationssystem den Bewegungsumfang der Gelenke, indem sie den Gelenkwiderstand verringern. Dadurch, dass die Körperbewegungen des Patienten in Richtung des in der virtuellen Umgebung erzeugten visuellen Ziels vom Patienten selbst gesehen werden können, gibt dem Patienten ein sensibleres Feedback und beschleunigt so das Erlernen der Bewegung durch das Gehirn.
Gamifizierung und individuelle Anpassung
Das Robotersystem hebt den Patienten an, und die Roboterfüße treiben ihn dann mit Motorkraft an. Beim Gehen tut der Patient so viel, wie er kann, und der Roboter vervollständigt, was er nicht kann. Dementsprechend wird der Teil, den der Patient nicht ausführen kann, durch Änderung der Einstellungen mit Hilfe des Roboters in einer sehr intensiven und wiederholten Behandlung erarbeitet. Darüber hinaus wird die Gamifizierung zur aktiven Teilnahme und Motivation des Patienten an der Behandlung eingesetzt. Computerspiele, bei denen bestimmte Bewegungen ausgeführt werden, helfen dabei, sich besser zu konzentrieren, indem sie für Aufmerksamkeit sorgen bzw. das Gehirn stimulieren.
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Anwendungsbereiche der robotergestützten Rehabilitation
- Arm- und Handrehabilitation: Roboter helfen, die Funktionen des betroffenen Arms, Unterarms und Handgelenks bei Patienten wiederherzustellen, die einen Schlaganfall erlitten haben oder deren Armfunktionen beeinträchtigt sind. Es handelt sich um ein Exoskelett (tragbares Außenskelett), das den Arm des Patienten stützt, sein Gewicht reduziert und die aktive Bewegung des Arms im 3D-Raum vergrößert.
- Gang- und Gleichgewichtsrehabilitation: Hierbei handelt es sich um ein Training für die Gang- und Gleichgewichtsrehabilitation, bei dem ein Laufband mit einem System zur Unterstützung des Körpergewichts und audiovisuellen Feedback-Mechanismen zum Einsatz kommt und die Herausforderungen des täglichen Lebens durch virtuelle Realität simuliert werden. Es hilft neurologischen und orthopädischen Patienten, bei wiederholter intensiver Behandlung schneller wieder mobil zu werden. Es wird zur Bewertung und Behandlung des Gleichgewichts und der Einhaltung der Gangart eingesetzt.
- Pädiatrische Rehabilitation: Dank des roboterunterstützten Gehsystems mit pädiatrischen Orthesen können pädiatrische Patienten mit eingeschränkter Gehfunktion aufgrund von Zerebralparese, traumatischen Hirnverletzungen oder anderen neurologischen Störungen das roboterunterstützte Gehen trainieren.
Zeitpunkt des Therapiebeginns
Die robotergestützte Rehabilitation kann in jedem Krankheitsstadium begonnen werden. Es wurde jedoch festgestellt, dass die Genesungsrate bei Patienten, die früh mit der Behandlung beginnen, höher ist, die Patienten unabhängiger bei den Aktivitäten des täglichen Lebens sind und die Funktionsstörungen nach der Erkrankung geringer bleiben. Es wird empfohlen, mit der robotergestützten Rehabilitation innerhalb von 2-3 Wochen zu beginnen, insbesondere nach einer Hirnblutung. Bei Rückenmarksverletzungen kann mit der Behandlung begonnen werden, nachdem das Operationsgebiet stabil geworden ist. Das Hauptziel der Behandlung ist die Wiederherstellung der Gehfähigkeit bei Patienten, die nicht gehen können, oder die Verbesserung der Gehfähigkeit bei Patienten, die gehen können.
Innovative Sensoren für die Neurologie
Neben der Rehabilitation spielen Sensoren eine entscheidende Rolle bei der Diagnose und Überwachung neurologischer Erkrankungen. Fortschritte in der Sensortechnologie ermöglichen schonendere und präzisere Verfahren.
Weiche Roboter für die Hirnkartierung
Ein Forschungsteam des Swiss Federal Institute of Technology hat einen weichen Roboter mit Sensorbeinen entwickelt, der im menschlichen Schädel Hirnaktivitäten kartieren kann. Die Forscher wollen damit das Risiko minimieren, das das herkömmliche Verfahren zur Hirnkartierung mit sich bringt, etwa von Patienten mit Epilepsie und anderen neurologischen Störungen.
Die Elektrokortikografie (EKoG) wird häufig zur Kartierung epileptogener Hirnregionen eingesetzt. Zusätzlich kommt das Verfahren zum Einsatz, wenn Läsionen des Gehirns chirurgisch entfernt werden müssen. Auch bei Forschungen an Anwendungen zur Schnittstelle zwischen Hirn und Maschine wird EKoG eingesetzt. Dazu werden herkömmlicherweise Elektroden auf das Gehirn aufgebracht, mit erheblichen Risiken für die Patienten. Denn das in den Schädel zu schneidende Loch muss in der gleichen Größe angelegt werden wie die Sensorfläche.
Das Konzept des Softroboters sieht das Bohren eines etwa ein Quadratzentimeter großen Loches in den menschlichen Schädel vor. Darin wird der rund 2 cm lange Roboter eingeführt. Seine bis zu sechs Beine bestehen aus einem flexiblen Silikonpolymer und sind zusammengefaltet. Sie winden sich spiralförmig um den Körper und decken bei vollständiger Entfaltung eine Fläche mit einem Durchmesser von 4 cm ab. In jedem Bein sind Elektroden zur Überwachung der Hirnaktivität sowie Dehnungssensoren zur Überwachung des Einsatzes untergebracht. Die Beine sind zunächst ähnlich wie ein Ärmel, der zurückgeschoben ist, zusammengefaltet. Sobald der Roboter in den Schädel eingebracht worden ist, werden sie mit einer Flüssigkeit gefüllt und entfalten sich.
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Die Forschenden gehen davon aus, dass die Beinlänge auf 8 bis 10 cm ausgeweitet werden kann. Dementsprechend groß wäre dann das durch sie aufgezogene Sensorfeld. Das Loch im Schädel müsste dafür nicht vergrößert werden, schreiben die Wissenschaftler.
Getestet haben die Forscher den Roboter zunächst an einem Modell eines menschlichen Gehirns aus Kunststoff und Hydrogel. Außerdem musste ein Göttinger Minischwein für einen Testeingriff herhalten. Dem Tier wurde ein einzelnes, 15 mm langes Roboterbein mit der Sensorik implantiert. Mithilfe der Elektroden konnte die Gehirnaktivität des Mini-Pigs aufgezeichnet werden. Die Forscher sind sich sicher, dass das von ihnen entwickelte Verfahren eine schonende Variante der EKoG ist und die Zeit für Eingriffe im Operationssaal verkürzen kann.
Optisch gepumpte Magnetometer (OPMs) für die Magnetoenzephalographie (MEG)
Schizophrenie, Parkinson, Epilepsie: Diese und andere neurologische Erkrankungen sind noch nicht vollständig verstanden. Einen Schub neuer Erkenntnisse verspricht das neue OPM-MEG-Zentrum, das die Charité - Universitätsmedizin Berlin gemeinsam mit der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) eröffnet hat. Erstmals werden hier die sogenannten OPM-Sensoren, die die winzigen Magnetfelder des menschlichen Hirns messen, in größerem Stil in der klinischen Forschung eingesetzt.
Wenn Neuronen im Gehirn feuern, dann fließen winzige Ströme. Die entstehenden Magnetfelder kann man mithilfe spezieller Quantensensoren messen. Das Verfahren nennt sich Magnetoenzephalographie (MEG) und liefert wertvolle Informationen über die Funktionen des Gehirns. So lassen sich beispielsweise Hirnrhythmen auslesen, die an den Bewegungsstörungen bei Parkinson beteiligt sind oder bei Psychosen eine wichtige Rolle spielen.
Ein neuer Typ der Quantensensoren sind optisch gepumpte Magnetometer (OPMs). Sie ermöglichen es, die Hirnsignale bei Zimmertemperatur mit einer bisher unerreichten Kombination aus Echtzeit- und räumlich hochauflösender Funktionsmessung zu erfassen. Anders als die bislang üblichen Sensoren, die extrem gekühlt werden mussten, haben OPM-Sensoren direkten Kontakt zum Kopf.
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Die kombinierte Expertise von Charité und PTB verleiht dem Zentrum das Potenzial, zu einer führenden Anlage für das Verständnis, die Erkennung und die Behandlung psychiatrischer und neurologischer Störungen zu werden. Gleichzeitig soll die OPM-Messtechnik für eine breitere klinische Anwendung weiterentwickelt werden.
Das Herzstück des Zentrums bildet die neueste Generation eines Ganzkopf-OPM-Systems mit 96 OPM-Sensoren. Die schwachen magnetischen Signale des menschlichen Gehirns lassen sich nämlich nur messen, wenn man äußere Magnetfelder, etwa der Erde oder eines in der Nähe vorbeifahrenden ICEs, sorgsam abschirmt.
Die PTB-Wissenschaftler:innen fokussieren sich auf Forschung in der Quantensensorik, die Umsetzung verlässlicher Quantenmetrologie und eine beschleunigte Technologieentwicklung. Charité-Forschende wollen beispielsweise epileptische Herde im Gehirn insbesondere von Kindern exakter identifizieren, um deren chirurgische Entfernung zu erleichtern. Auch die Entwicklung von modernen Gehirn-Computer-Schnittstellen, die unter anderem die Mobilität von Menschen mit Behinderungen zu verbessern suchen, soll in dem neuen Zentrum vorangebracht werden.
Um den komplexen Technologietransfer im biomedizinischen Bereich der Quantentechnologie zu beschleunigen, sind Forschungskooperationen mit weiteren Partnerinstitutionen aus Wissenschaft und Wirtschaft geplant. Nicht zuletzt werden junge Start-up-Firmen das Zentrum nutzen können und von Qualitätssicherung und Technologievalidierung profitieren.
Neurale Exoskelette und Quantensensoren
Ist es möglich, dass sich gelähmte Patientinnen und Patienten nach Jahrzehnten plötzlich wieder bewegen können? Hochmoderne Quantensensoren in Exoskeletten sollen dieses Szenario Wirklichkeit werden lassen. Die gemessenen Signale werden an das Exoskelett am Arm weitergeleitet, welches diese Informationen in Bewegungen umsetzt. Oder anders ausgedrückt: Der Mann steuert das Exoskelett mit seinen Gedanken.
„Neurale Exoskelette werden jetzt überall weltweit erforscht, und es gibt auch bereits eine Reihe von Patenten“, erklärt Dr. Surjo Soekadar, Leiter des Fachbereichs Translation und Neurotechnologie der Charité. „Neurale Exoskelette erlauben es zum Beispiel, nach einem Schlaganfall im Alltag wieder beide Hände zu nutzen“, sagt Soekadar. Mehr noch: Schon heute gibt es Exoskelette, mit denen Querschnittsgelähmte wieder laufen können.
Um dies zu ermöglichen, lesen Sensoren über sogenannte Brain-Computer Interfaces, BCIs (Hirn-Computer-Schnittstellen) Hirnsignale aus. Denkt die Patientin oder der Patient an eine Bewegung, etwa den Arm zu heben, löst dies elektrische Signale im Gehirn aus. Nervenbahnen leiten diese weiter an den Arm, der bei gesunden Menschen die Bewegung ausführt. Diese Signalwege funktionieren auch noch bei gelähmten Personen, nur kann der Körper sie nicht mehr umsetzen. Genau das übernimmt das neurale Exoskelett für ihn. Die Signale im Gehirn werden durch die Sensoren der Hirn-Computer-Schnittstelle gemessen, von einem Computer umgerechnet und vom Exoskelett in Bewegung umgesetzt.
Die aktuellen Modelle zum Laufen kann man sich eher als etwas grobschlächtige und schwere Roboteranzüge oder -stützen vorstellen. Exoskelette für Arme und Hände können bisher grundlegende Bewegungen ausführen, jedoch keine Feinmotorik wie das Greifen einer Tasse. Außerdem funktionieren viele nur unter Laborbedingungen, da die bisherigen Sensoren, die die Hirnaktivität auslesen, äußerst störanfällig sind. Und die größte Hürde: Für Hirn-Computer-Schnittstellen, mit denen man komplexe Bewegungen steuern kann, ist derzeit meist eine riskante OP nötig, bei der Sensoren in den Kopf implantiert werden.
Im Projekt NeuroQ haben sich gleich mehrere führende deutsche Forschungsinstitutionen zusammengetan, um neue Sensoren zu entwickeln, die die bisherigen Probleme der neuralen Exoskelette lösen könnten. Beteiligt sind unter anderem das Fraunhofer IAF in Freiburg, die Berliner Charité, die Universität Stuttgart sowie verschiedene Unternehmen.
Die sogenannten Quantensensoren, die während der fünfjährigen Laufzeit des Projekts entstehen, sollen so empfindlich sein, dass sie Hirnaktivität auch dann noch interpretieren können, wenn sie nur auf dem Kopf aufliegen, ganz ohne OP. Die Sensoren könnten beispielsweise in ein Stirnband integriert werden, das sich nach Bedarf auf- und absetzen ließe.
Die Übertragung der Signale aus dem Gehirn soll außerdem in Zukunft so präzise funktionieren, dass selbst feinste Motorik wie das Greifen von kleinen Gegenständen möglich ist und auch außerhalb des Labors funktioniert. Und vielleicht können sie sogar noch mehr: Zahlreiche Studien weisen darauf hin, dass die Technik dabei helfen kann, schwere und chronische Lähmungen zu heilen.
„Die Quantensensorik wird, denke ich, in den nächsten zehn bis 20 Jahren einen großen Einfluss auf die Industrie und in der Medizintechnik haben, von Messtechnik bis hin zu bildgebenden Verfahren“, sagt Dr. Jan Jeske, Gruppenleiter Quantenmagnetometrie am Fraunhofer IAF. Gerade bei Hirn-Computer-Schnittstellen hätten Quantensensoren enorme Vorteile, meint Jeske. Denn Hirnaktivität sendet sowohl elektrische als auch magnetische Felder aus. Bisherige Sensoren fokussieren sich meist auf die elektrischen Signale, die Quantensensoren in NeuroQ dagegen auf Magnetfelder. „Die Magnetfelder werden durch den Schädelknochen im Gegensatz zu elektrischen Signalen nicht abgeschwächt und haben dadurch das Potenzial, sehr viel deutlicher zu werden als alles, was man mit den bisherigen elektrischen Sensoren messen kann“, erklärt der Forscher. Sprich: Eine OP ist nicht mehr nötig, da Quantensensoren genauer messen als EEGs.
Im Detail funktioniert das folgendermaßen: Die künstlich hergestellten Diamanten sind mit speziellen Stickstoff-Fehlstellen (NV-Zentren) versehen. Diese NV-Zentren verhalten sich wie winzige Magnete und reagieren empfindlich auf Magnetfelder in ihrer Umgebung. Um diese zu messen, werden ein grüner Laser sowie Radiowellen auf den Diamanten gerichtet, wodurch die NV-Zentren angeregt werden. Diese absorbieren das grüne Laserlicht und emittieren rotes Licht. Die Intensität dieses roten Lichts ist abhängig vom auf die NV-Zentren wirkenden Magnetfeld.
Die Diamant-Quantensensoren können so auch die Magnetfelder messen, die das Gehirn beim Denken produziert - und das mit größerer Genauigkeit als derzeitige Sensorarten. Dadurch ließen sich Exoskelette viel präziser steuern als bisher, was erstmalig auch Feinmotorik möglich machen würde. Besonders wichtig für die Patientinnen und Patienten ist außerdem, dass Diamant-Quantensensoren selbst dann noch zuverlässig messen, wenn sie mit anderen Hintergrundfeldern konfrontiert werden. „Das bedeutet, es gibt die Perspektive, sie künftig nicht nur im abgeschirmten Labor einzusetzen“, erklärt Jeske.
Innerhalb der Laufzeit von NeuroQ wollen sie die Exoskelette verbessern und deren breiteren Einsatz ermöglichen. Was danach kommt? Da gäbe es zahlreiche Optionen. „Während Operationen könnte man mit Quantensensoren beispielsweise feinste Nerven erkennen, um zu vermeiden, dass sie aus Versehen durchtrennt werden“, sagt Jeske. „Es ließen sich auch bisherige MRT-Sensoren ersetzen und damit die Magnetresonanztomographie verbessern.“
Ein anderes spannendes Szenario könnte in der Rehabilitation von gelähmten Patientinnen und Patienten liegen. Hier ergibt sich aus dem Einsatz von neuralen Sensoren und Exoskeletten, die Muskeln aktivieren, eine Feedbackschleife mit weitreichenden Folgen. „Wir haben dieses Verfahren bei Schlaganfallpatienten eingesetzt und erst gedacht: na ja, man guckt erst mal, ob das überhaupt funktioniert“, sagt Soekadar. „Nach einem Monat haben wir festgestellt, dass die Patienten, die teilweise über Jahre und Jahrzehnte gelähmt waren, plötzlich ihre Hand wieder von allein bewegen konnten. Diese Technik könnte man in unterschiedlichsten Bereichen einsetzen, von Lähmungen bis hin zur Behandlung von psychischen Erkrankungen wie Depressionen, Sucht- oder Zwangsstörungen.“
Langfristig wären dadurch teure Exoskelette für zuhause vielleicht gar nicht nötig, meint der Neurowissenschaftler: „Es geht darum, dass wir die Hirnschnittstelle irgendwann gar nicht mehr brauchen, sondern die Patienten sich durch die regelmäßige Anwendung der Hirn-Computer Schnittstelle wieder erholen. Damit würde diese Technologie für diese Menschen im weiteren Verlauf praktisch obsolet.
Weitere Anwendungen und Entwicklungen
Die Fortschritte in der Robotik und Sensorik haben auch zu anderen vielversprechenden Anwendungen in der Neurologie geführt:
- Roboterarme im Alltag: Mit einem am Rollstuhl befestigten Roboterarm können die Betroffenen ohne Hilfe Weintrauben essen, Getränke einschenken, ohne dass die Flasche herunterfällt oder sogar ihre Karte in den Geldautomaten stecken und Geld abheben.
- Gangrehabilitation mit HAL: Der Roboteranzug HAL kann Betroffenen zumindest zu mehr Mobilität und Aktivität verhelfen. Er kann die abgeschwächten Signale über Sensoren, die auf der Haut des Patienten befestigt sind, aufnehmen und so seine Motoren im Hüft- und Kniegelenksbereich in Aktion setzen. HAL übernimmt also für den Patienten die Bewegung: durch die direkte Ankopplung an das eigene Nervensystem.
- Lokomat und mobile Exoskelette: Wer gehen lernen will, muss gehen, und das Gehirn lernt am besten durch hochfrequente Wiederholungen. Im Lokomat können selbst Schwerstbetroffene therapiert werden. Mobile Exoskelette hingegen sind eine Alternative für Betroffene im weiter fortgeschrittenen Stadium.
Parkinson-Forschung und neue Technologien
Auch in der Parkinson-Forschung gibt es vielversprechende Fortschritte durch den Einsatz neuer Technologien:
- Künstliche Intelligenz (KI): KI-Systeme sind in der Lage, Bewegungs-, Sprach- und Atemmuster zu erkennen, die auf die Krankheit hinweisen könnten. So haben Bewegungssensoren, die am Handgelenk getragen werden, in einer britischen Studie bis zu sieben Jahre vor der klinischen Diagnose Anzeichen für Parkinson gezeigt.
- App-gestützte Sensoren, Rückenmarkstimulatoren und Stammzelltransplantationen: Diese Ansätze stehen kurz vor weitergehenden klinischen Forschungsaktivitäten. Insbesondere Neuroprothesen könnten bald die typischen Gangstörungen von Parkinson-Patienten verbessern. Die Stammzelltherapie zeigt ebenfalls ermutigende Ergebnisse. Zudem könnten Monitoring-Strategien, die eine lückenlose Dokumentation von Parkinson-Symptomen ermöglichen, die Behandlung optimieren.
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