Rollstuhl Nerven Muskel Stimulation: Fortschritte und Anwendungen

Einleitung

Die Rehabilitation nach einem Schlaganfall oder einer Querschnittslähmung stellt eine große Herausforderung dar. Oftmals sind die Betroffenen in ihren motorischen Fähigkeiten eingeschränkt, was zu einer erheblichen Beeinträchtigung ihrer Lebensqualität führt. Die funktionelle Elektrostimulation (FES) bietet hier einen vielversprechenden Ansatz, um verlorengegangene Körperfunktionen wiederzuerlangen und die Selbstständigkeit der Patienten zu fördern. Dieser Artikel beleuchtet die Grundlagen der FES, ihre Anwendungsmöglichkeiten bei verschiedenen neurologischen Erkrankungen und die neuesten Entwicklungen in diesem Bereich.

Grundlagen der Funktionellen Elektrostimulation (FES)

Was ist FES?

Die funktionelle Elektrostimulation (FES) ist eine Art der Neuromodulation, bei der Nerven außerhalb des Rückenmarks und des Gehirns elektrisch stimuliert werden. Bei einer Schädigung des zentralen Nervensystems (ZNS), wie sie häufig durch Schlaganfall, Schädel-Hirn-Trauma oder Multiple Sklerose verursacht wird, ist oft die Reizleitung der Nerven vom Gehirn zu Fuß und/oder Hand gestört. Die Muskeln in den Extremitäten sind zwar noch funktionsfähig, können aber nicht mehr zielgerichtet angesteuert werden. Die FES kann hier Abhilfe schaffen, indem sie die noch funktionierenden Nerven in den Gliedmaßen über elektrische Impulse anspricht. Diese lösen eine Muskelkontraktion aus, sodass zum Beispiel der Fuß angehoben wird, um entweder das Gangbild der Patienten erheblich zu verbessern oder im besten Fall überhaupt wieder gehen zu können.

Wie funktioniert FES?

Die FES nutzt elektrische Impulse, um gezielt Nervenfasern und Muskeln anzuregen - ganz ohne Medikamente. Über Elektroden, die auf der Haut kleben, wird ein definierter Stromimpuls ins Gewebe geleitet. Diese direkte elektrische Einwirkung verändert das Ruhepotential der Nerven- und Muskelzellen. In der Folge können Schmerzen blockiert, die Durchblutung gesteigert oder Muskelzuckungen ausgelöst werden. Jeder Impuls erzeugt eine Muskelkontraktion. So können auch gelähmte oder sehr schwache Muskeln trainiert werden. Moderne Geräte verfügen oft über Displays und Signaltöne, die über Behandlungsdauer und -stärke informieren und so Patienten und Therapeuten die Kontrolle erleichtern. Einige moderne Geräte arbeiten mit biphasischen Impulsen, bei denen sich die Polarität schnell wechselt.

Arten der Elektrostimulation

Es gibt verschiedene Arten der Elektrostimulation, die je nach Anwendungsbereich und Therapieziel eingesetzt werden:

• Transkutane elektrische Nervenstimulation (TENS): Hier sendet das Gerät niedrigfrequente Impulse aus, die gezielt Nerven im Rückenmark beeinflussen und dadurch das sogenannte „Schmerztor“ verschließen. Die Schmerzleitung wird abgeblockt und das störende Signal wird weniger stark wahrgenommen.
• Neuromuskuläre Stimulation (EMS/NMES): Hier wird mit stärkerer Spannung an den motorischen Nerven gearbeitet. Jeder Impuls erzeugt eine Muskelkontraktion. So können auch gelähmte oder sehr schwache Muskeln trainiert werden.
• Funktionelle Elektrostimulation (FES): Die FES stellt einen direkten Behinderungsausgleich im Alltag dar, während TENS zur reinen Therapie eines Muskels dient.

Vorteile der FES

Die FES bietet eine Reihe von Vorteilen gegenüber anderen Rehabilitationsmethoden:

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• Direkter Behinderungsausgleich: Die FES ermöglicht es dem Patienten, die eingeschränkte Extremität wieder im Alltag einzusetzen.
• Muskelaufbau: Durch die Stimulation der Muskulatur kann dem Abbau von Muskeln als Folge der Lähmung entgegengewirkt werden.
• Verbesserung der Durchblutung: Die elektrischen Impulse können die Durchblutung steigern und somit die Regeneration des Gewebes fördern.
• Schmerzlinderung: Die FES kann Schmerzen lindern, indem sie die Schmerzleitung blockiert oder die Ausschüttung von Endorphinen fördert.
• Motivation zum Eigentraining: Durch die Anwendung der FES erkennt der Patient schnell, dass ihn ein tägliches Eigentraining zusätzlich zur Ergo- und Physiotherapie weiterbringt.

Anwendungsbereiche der FES

Die FES wird bei verschiedenen neurologischen Krankheitsbildern eingesetzt, darunter:

Schlaganfall

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 wird hierdurch die Motorik der Betroffenen beeinträchtigt, wobei die teilweisen Lähmungen (Paresen) gewöhnlich nur eine Körperhälfte betreffen. Rund ein Drittel aller Schlaganfallpatienten bleibt trotz intensiver Rehabilitationsmaßnahmen dauerhaft behindert.

• Armrehabilitation: Bei Hirninfarkt-/Schlaganfallpatienten mit motorischen Defiziten hat sich gezeigt, dass eine zielgerichtete Repetition von Bewegungen positive Effekte auf die motorische Erholung hat. Daher findet die Anwendung der Funktionellen Elektrostimulation in der Armrehabilitation eine immer größere Rolle.
• Gangrehabilitation: Ein Schlaganfall führt häufig zur Beeinträchtigung des Ganges bei den Betroffenen. Insbesondere tritt bei ca. 10-20 Prozent der wieder gehfähigen Patienten eine unzureichende Fußhebung in der Schwungphase auf. Um das normale Gangbild wieder herzustellen, muss der Fußheber der betroffenen Seite durch Training gestärkt und wieder in das Gangmuster integriert werden. Dies kann durch elektrische Stimulation der betroffenen Muskulatur erfolgen.

Multiple Sklerose (MS)

Elektrostimulation kann MS-assoziierte Spastik lockern und die Muskelfunktionen verbessern. Studien zeigen, dass neuromuskuläre Stimulation (NMES) bei MS-Patienten die übermäßige Rückenmarksaktivität reduziert, was zu gesteigerter Beweglichkeit führt.

Zerebralparese (CP)

Bei angeborenen Bewegungsstörungen hilft die Kombination aus passiver Stimulation und aktiver Therapie. EMS- oder FES-Systeme entspannen spastische Muskeln und fördern die Koordination. Klinische Berichte zeigen nach regelmäßiger Anwendung verbesserte motorische Fähigkeiten und verringertes Muskelspastizität.

Querschnittlähmung

Bei kompletten oder inkompletten Rückenmarksverletzungen kann Elektrostimulation dazu beitragen, Muskelabbau zu verhindern und verbliebene Nervenbahnen zu trainieren. Menschen mit Querschnittlähmung können von der funktionellen Elektrostimulation (FES) als Teil der Rehabilitation profitieren. Motorische Fähigkeiten aber auch z. B. Anwendung erfolgt ebenfalls als Blasen- und/oder Darmschrittmacher.

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Fibromyalgie

Patienten berichten nach einigen Wochen Anwendung von deutlich weniger Bewegungsschmerz und weniger Fatigue. So konnten in einer Studie mit 301 Fibromyalgie-Patienten tägliche, mehrminütige TENS-Sitzungen die Schmerzintensität und Erschöpfung signifikant reduzieren.

Weitere Einsatzbereiche

Die Elektrotherapie unterstützt zudem bei sensomotorischen Neuropathien (z. B. bei Diabetes), Muskelschwund oder als Ergänzung in der Parkinson-Therapie.

FES-Systeme und ihre Anwendung

FES-Ergometer

Das Fahrradfahren mit einem Ergometer gehört mittlerweile zur Standardtherapie eines jeden Schlaganfallpatienten. Mittels spezieller Ergometer können auch schwer betroffene Patienten solche Übungen vom Rollstuhl aus durchführen. In Zusammenarbeit mit der Firma HASOMED wurde ein motorunterstütztes Ergometersystem mit Elektrostimulation entwickelt. Fahrradfahren mit Elektrostimulation begünstigt einen schnelleren Muskelaufbau und stellt dem zentralen Nervensystem intensivere Bewegungsreize zur Verfügung. Des Weiteren hilft die Stimulation dem Patienten bei der Einübung des korrekten Bewegungsmusters. Mit dem realisierten System können bis zu 8 Muskelgruppen synchron zur Tretbewegung stimuliert werden. In der Regel werden Kniestrecker und -beuger sowie die Hüftstrecker benötigt. Damit die Muskeln zum richtigen Zeitpunkt aktiviert und deaktiviert werden können, wird die Beinstellung fortlaufend über eine Messung des Kurbelwinkels am Ergometer erfasst. Das entwickelte FES-Ergometer ist bereits in mehreren neurologischen Kliniken im Einsatz, sodass der klinische Nutzen des Systems evaluiert werden konnte.

Fallfußstimulatoren

Insbesondere tritt bei ca. 10-20 Prozent der wieder gehfähigen Patienten eine unzureichende Fußhebung in der Schwungphase auf. Um das normale Gangbild wieder herzustellen, muss der Fußheber der betroffenen Seite durch Training gestärkt und wieder in das Gangmuster integriert werden. Dies kann durch elektrische Stimulation der betroffenen Muskulatur erfolgen. 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), welcher u. a. den Fußheber (M. Tibialis Anterior) innerviert. Durch die Reizung des Nervs wird 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 Schrittbewegung unterstützt. Die Stimulation wird bei solchen Systemen in der Regel mittels eines einfachen Kontaktschalters unter der Fußsohle mit dem Gang synchronisiert. In der Schwungphase (kein Bodenkontakt) wird dann ein fest eingestelltes Stimulationsmuster ausgegeben.

Innovative Ansätze

• Adaptive Steuerung: An der St. An der St. An der St. Ein anderer innovativer Ansatz, mit dem der Fußgelenkwinkel direkt bestimmt werden kann, ist die Echtzeiterfassung von Änderungen der Bio-Impedanz (BI) des Beines. Die aufgrund der Bewegung verursachten BI-Änderungen korrelieren nahezu linear mit dem Fußgelenkwinkel im interessierenden Winkelbereich. Basierend auf der Winkelmessung mittels Bio-Impedanz wurde eine iterative lernende Steuerung für Fallfußstimulatoren entwickelt. Hierbei soll durch elektrische Stimulation des Fußhebers ein gewünschter Winkelverlauf für das Sprunggelenk realisiert werden.
• Elektrostimulation im Wasser: An der TU Berlin wird erforscht, wie sich Elektrostimulation im Wasser als Therapie bei Lähmungen einsetzen lässt. Im Wasser fühlen sich die Patienten freier, die Beine sind leichter, es gibt keine Sturzgefahr.

Regelung und Sensorik bei der FES

Die vorgestellten Arbeiten verdeutlichen die Leistungsfähigkeit geeigneter Regelungskonzepte bei der Generierung gewünschter Bewegungsmuster durch FES. Voraussetzung für jede Regelung ist jedoch eine entsprechende Sensorik zur Erfassung des Bewegungszustandes.

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Symmetrieregelung beim FES-Fahrradfahren

In Zusammenarbeit mit Kooperationspartnern wurde eine so genannte Symmetrieregelung entwickelt. Aus Kraftmessungen an beiden Kurbelarmen wird das von jedem Bein erzeugte durchschnittliche Drehmoment pro Tretzyklus ermittelt. Mit einem komplexen Algorithmus werden dann die Stimulationsintensitäten für beide Beine individuell angepasst, sodass sich Symmetrie bei maximal erzielbarem Drehmoment einstellt.

Adaptive Steuerung für Fallfußstimulatoren

Im Hinblick auf eine praktische Realisierung benötigt man einen unauffälligen Sensor, welcher den Sprunggelenkwinkel oder zumindest den Winkel des Fußes bezüglich des Bodens misst. Basierend auf diesem Sensor konnte eine adaptive Steuerung realisiert werden, mit der der Winkel des Fußes beim Aufsetzen auf den Boden gezielt angepasst werden kann. Hierbei wird die Amplitude des trapezförmigen Stimulationsverlaufes in der Schwungphase von Schritt zu Schritt adaptiert.

Alltagstauglichkeit und Zukunftsperspektiven

Die Alltagstauglichkeit der FES ist nach wie vor ein wichtiger Aspekt bei der Entwicklung neuer Systeme. Viele Patienten nutzen tragbare TENS- oder EMS-Geräte für die häusliche Anwendung. Nach fachlicher Einweisung können die Elektroden selbstständig an Rücken, Schultern oder Beinen platziert und die Stimulationsstärke über das Gerät geregelt werden.

Die Forschung arbeitet bereits an neuen Technologien, um die FES noch effektiver und benutzerfreundlicher zu gestalten:

• Tragbare Kleidung (Smart Fabrics): In der Forschung wird bereits daran gearbeitet, Elektroden direkt in Kleidung zu integrieren.
• Adaptive Systeme: Forschungsansätze entwickeln intelligente Therapiesysteme, die kontinuierlich mit Sensoren Muskelreaktionen messen.

Wichtige Hinweise zur Anwendung der FES

• Achten Sie auf saubere, trockene Haut vor dem Anlegen der Elektroden. Vermeiden Sie öl- oder lotionhaltige Substanzen, die die Leitfähigkeit stören.
• Wechseln Sie die Klebepads bei Verschleiß.
• Starten Sie mit sehr niedriger Stromstärke und erhöhen Sie die Intensität nur allmählich, bis ein deutliches, aber keinesfalls schmerzhaftes Kribbeln wahrgenommen wird.
• Kleben Sie die Pads genau nach Anleitung auf. Ein kleiner Versatz kann die Wirkung erheblich verändern. Reinigen und trocknen Sie die Haut vor dem Anlegen. Vermeiden Sie aufgekratzte Haut, entzündete Areale oder frische Narben.
• Lassen Sie Ihren Therapieplan von Fachleuten begleiten. Da sich Beschwerden über die Zeit verändern können, ist es sinnvoll, Reizparameter (Frequenz, Pulsbreite, Stimulationsdauer) bei Bedarf anzupassen.
• Personen mit Herzschrittmacher, Defibrillator oder bestimmten Herzrhythmusstörungen sollten vor Anwendung ärztlichen Rat einholen. Auch bei Epilepsie, akuten Entzündungen oder in der Schwangerschaft wird Vorsicht empfohlen.
• Elektrostimulation entfaltet ihre Wirkung meist erst nach mehreren Wochen konsequenter Anwendung. Seien Sie geduldig und setzen Sie die Therapie gemäß der Empfehlung fort. Bei fortschreitender Besserung können Intervalle angepasst werden.

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