ArchivDÄ-TitelSupplement: PerspektivenNeurologie 2/2015Robotergestützte Gangorthesen: Hoffnung für Gelähmte?

Supplement: Perspektiven der Neurologie

Robotergestützte Gangorthesen: Hoffnung für Gelähmte?

Dtsch Arztebl 2015; 112(49): [21]; DOI: 10.3238/PersNeuro.2015.12.04.08

Grasmücke, Dennis; Schildhauer, Thomas A.; Cruciger, Oliver; Meindl, Renate Ch.; Aach, Mirko

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Das ReWalk-System Personal 6.0 ist von Patientin Christine Maria Burger im Oktober beim World Health Summit in Berlin vorstellt worden. Foto: ReWalk
Das ReWalk-System Personal 6.0 ist von Patientin Christine Maria Burger im Oktober beim World Health Summit in Berlin vorstellt worden. Foto: ReWalk

Exoskelette sollen Menschen mit Rückenmarkverletzungen das unabhängige Gehen ermöglichen. Die verfügbaren Systeme unterscheiden sich hinsichtlich Zielsetzung der Anwendung. Für den Einsatz als Hilfsmittel noch nicht geeignet

Durch den rasanten technischen Fortschritt in der letzten Dekade nimmt die Bedeutung robotergestützter Gangorthesen in der klinischen Anwendung bei querschnittgelähmten Patienten immer weiter zu. Verschiedene Hersteller bieten unterschiedliche exoskelettale Systeme zur therapeutischen Anwendung oder als Hilfsmittel an. Als therapeutisches Ziel wird einerseits ein selbstständiges und aufrechtes Gehen des gelähmten Patienten postuliert. Andererseits steht, geräteabhängig, eine funktionelle Verbesserung im Fokus der Anwendung.

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Alle Exoskelette zeigen prinzipiell eine ähnliche Konstruktion: einen extern am Körper des Patienten anliegenden Rahmen mit motorgetriebenen und gelenkig verbundenen Segmenten an den Hüft-, Knie- und Sprunggelenken. Eine mobile Energieversorgung wird durch integrierte Akkubatterien ermöglicht.

Exoskelette unterscheiden sich maßgeblich in der Steuerung

Aktuell befinden sich hauptsächlich fünf verschiedene exoskelettale Systeme im klinischen Einsatz: Ekso (Ekso Bionics), Indego® (Parker Corp.), Re-Walk (Argo Medical Technologies), Rex® (Rex Bionics) sowie Hybrid assistive limb (HAL®) von Cyberdyne Inc. Trotz ähnlicher Grundstruktur unterscheiden sich die Exoskelette maßgeblich in der Steuerung. So können die oben genannten Systeme in drei Gruppen unterteilt werden:

  • Ekso, Indego® und Re-Walk stellen die Gruppe der „posture controlled“ Exoskelette dar. Bei diesen Systemen wird ein voreingestellter Gangzyklus in der Regel durch Vorneigen des Oberkörpers begonnen und durch ein Rückneigen gestoppt. Steuerungseinheiten befinden sich entweder direkt am Exoskelett oder an einer Kontrolleinheit, welche am Handgelenk oder an Unterarmgehstützen getragen wird. Obligat ist die Nutzung von Gehbock, Rollator oder Unterarmgehstützen zur Stabilisierung des Patienten. Diese Systeme sind primär für senso-motorisch komplett querschnittgelähmte Patienten entwickelt worden. Lediglich das Ekso von Ekso-Bionics erlaubt bei motorischer Restfunktion und Nutzung des „VariableAssist“ an den unteren Extremitäten eine aktive Mitarbeit des Trägers (1).
  • Die zweite Gruppe beinhaltet das Rex®-Exoskelett von Rex-Bionics. Hierbei handelt es sich um ein „full-support“-System. Durch seine gewollt massive Bauweise mit einem Gewicht von circa 40 kg wird ein passiv vollunterstütztes Stehen und Gehen ermöglicht. Die Steuerung erfolgt durch den Patienten mittels integriertem Joystick.
  • Das HAL®-Exoskelett der Firma Cyberdyne bildet die dritte Gruppe. Hierbei handelt es sich um ein neurologisch intrinsisch gesteuertes Exoskelett. Insbesondere im „voluntary controll“-Modus (CVC) werden minimale willkürlich generierte bioelektrische Signale der teilgelähmten Hüft- und Kniegelenk umgreifenden Muskulatur mittels kutaner Elektroden abgeleitet. Diese Impulse werden in Echtzeit als Bewegungsintention erkannt und durch die Motoren des Exoskeletts in vollständige Bewegungen umgesetzt.

Verschiedene Indikationen und Zielsetzungen

Durch die steuerungsbedingten Unterschiede ergeben sich daraus resultierend verschiedene Indikationen und Zielsetzungen in der Anwendung. Wie oben genannt sind die „posture controlled“ Exoskelette für die funktionelle Mobilität komplett Querschnittgelähmter entwickelt worden. Eine aktuelle Metaanalyse der zur Verfügung stehenden Evidenz von Lajeunesse et al. (2) zeigt zum Beispiel die höchste erreichbare Gehgeschwindigkeit im Vergleich für das Re-Walk™ mit einer Geschwindigkeit von 0,51 m/s.

Weitere Studien und Einzelfallberichte zeigen eine sichere Anwendbarkeit, ein schnelleres Gehen im Vergleich zu herkömmlichen Schienen-Schellen-Apparaten sowie Verbesserungen der respiratorischen Situation (3, 4, 5). Ferner wurden die Möglichkeiten und Grenzen der verschiedenen Systeme in einer Übersichtsarbeit von Aach et al. 2015 erarbeitet (6). Eine darüber hinausgehende Evidenz findet sich nicht. Insbesondere neurologisch funktionelle Verbesserungen werden nicht berichtet, was aber dem adressierten Patientenkollektiv mit senso-motorisch kompletter Querschnittlähmung geschuldet ist.

Das HAL®-System ist eine Entwicklung der japanischen Tsukuba-Universität. Teilgelähmte können ihre Restmuskelaktivität zur Steuerung des Exoskeletts nutzen und erfahren hierdurch eine intrinsische Feedbacktherapie. Foto: Bergmannsheil Bochum
Das HAL®-System ist eine Entwicklung der japanischen Tsukuba-Universität. Teilgelähmte können ihre Restmuskelaktivität zur Steuerung des Exoskeletts nutzen und erfahren hierdurch eine intrinsische Feedbacktherapie. Foto: Bergmannsheil Bochum

Das rein supportiv anwendbare Rex®-Bionics-Exoskelett ist vollständig als Hilfsmittel konzipiert. Aufgrund der langsamen Schrittabfolge besteht kein Mobilitätsvorteil gegenüber einem Rollstuhl. Studien oder Fallberichte zum therapeutischen Nutzen waren in unserer Med-Line-Recherche nicht zu finden. Prinzipiell besteht jedoch mit jeder Vertikalisierung Querschnittgelähmter ein zumindest kardio-vaskulär wirkendes Training.

Durch die neuronale Verknüpfung des HAL®-Exoskeletts mit dem Träger ist die Indikation zur Nutzung eine akute oder chronische funktionell inkomplette Querschnittlähmung. Teilgelähmte können mit diesem Exoskelett ihre Restmuskelaktivität zur Steuerung des Exoskeletts nutzen und erfahren hierdurch eine intrinsische Feedbacktherapie. Dies führt auch in der chronischen Phase einer Querschnittlähmung zu einem suffizienten Training, so dass die eigenen willkürlichen Muskelfunktionen zunehmend auch ohne das Exoskelett genutzt werden können und sich die Gehfähigkeit mit Nutzung entsprechender Hilfsmittel dauerhaft verbessert.

Hinweise für trainingsinduzierte kortikale Veränderungen

In der akuten Phasen einer Querschnittlähmung (direkt posttraumatisch) besteht die Möglichkeit einer intensiven, physiologischen Trainingstherapie im Rahmen der akutstationären Behandlung. Dabei wird die spontane Remissionsfähigkeit des geschädigten Myelons kombiniert mit einer optimalen Gangschulung. Die bisherige Evidenz zeigt sowohl für akut als auch chronisch Gelähmte deutliche funktionelle Verbesserungen, insbesondere nach dem Training auch ohne das Exoskelett, sowie Hinweise für trainingsinduzierte kortikale Veränderungen (7). Zusätzlich sind positive, beschwerdereduzierende Effekte bei neuropathischen Schmerzsyndromen und spinaler Spastik beobachtet worden (8. 9. 10).

Betrachtet man nun die verschiedenen Systeme unter den oben genannten Gesichtspunkten, ergeben sich klare Indikationen. Indego® und Re-Walk adressieren den komplett Querschnittgelähmten sub C7 oder tiefer. Die Anwendung zielt ganz klar in Richtung einer Mobilitätshilfe. Dies entspricht einem „High-End-Hilfsmittel“. Sie stellen im Prinzip eine motorisierte Weiterentwicklung der seit langem im Einsatz befindlichen Parawalker und Schienen-Schellen-Apparate dar.

Das Ekso-Bionics-Exoskelett kann in gleicher Art und Weise eingesetzt werden. Durch eine Unterstützungsreduzierung („variable assist“) besteht aber für den Teilgelähmten in geringem Umfang die Möglichkeit der aktiven Mitarbeit. Insofern ist Ekso auch insbesondere für den schwer betroffenen inkomplett Gelähmten therapeutisch einsetzbar.

Rex® als „full support“-System ist als eine Mobilitätshilfe für C4/5 und tiefer verletzte komplett gelähmte Patienten konzipiert. Der Fokus liegt eindeutig im Hilfsmittelbereich.

HAL® hingegen positioniert sich ausschließlich in der stationären und ambulanten Rehabilitation. Die Indikation ist für akute und chronisch Querschnittgelähmte sub C5 oder tiefer gegeben, sofern sie über EMG ableitbare willkürliche Muskelfunktionen an den unteren Extremitäten verfügen. Das Ziel der Therapie ist die Funktionen soweit zu trainieren, dass ein Gehen ohne das Exoskelett verbessert wird.

Merkmale und Anwendung der Exoskelette
Merkmale und Anwendung der Exoskelette
Tabelle
Merkmale und Anwendung der Exoskelette

Fazit für die Praxis

  • Trotz der seit einigen Jahren bestehenden klinischen Anwendungen und ersten Bestrebungen, Exoskelette als Hilfsmittel im Einzelfall zu versorgen, ist die technische Entwicklung noch nicht ausreichend.
  • Weiterhin fehlt eine aussagekräftige Evidenz. Lediglich für das HAL®-System sind eindeutige funktionelle Verbesserungen berichtet worden (79). Bezogen auf die funktionelle Mobilität scheint Re-Walk die höchste Gehgeschwindigkeit erreichen zu können (1).
  • Dennoch ist die Mobilität eines Exoskelettes im Vergleich zur Mobilität eines Aktivrollstuhls deutlich geringer.
  • Die Hände sind zwangsläufig an Gehhilfen gebunden. Insofern ist eine exoskelette Hilfsmittelversorgung aus ärztlicher Sicht zum jetzigen Zeitpunkt indiskutabel.
  • Die therapeutische Anwendung (stationär oder ambulant) ist jedoch bei bestimmten Patienten-
    voraussetzungen absolut indiziert. Insbesondere für inkomplett Querschnittgelähmte kann mit dem HAL®-System ein funktionelles Training angeboten werden.
  • Auch im Falle von kompletten Querschnittlähmungen sind die „posture controlled“ Exoskelette in der Lage, zumindest ein Kreislauftraining zu gewährleisten und neuropathische Schmerzen wahrscheinlich positiv zu beeinflussen.
  • Weitere potenziell positive Effekte in Bezug auf Knochendichte und Durchblutung der gelähmten Extremitäten konnten bisher nicht belegt werden und bedürfen weiterer Forschung.

DOI: 10.3238/PersNeuro.2015.12.04.08

Dr. med. Dennis Grasmücke

Prof. Dr. med. Thomas A. Schildhauer

Oliver Cruciger

Dr. med. Renate Ch. Meindl

Dr. med. Mirko Aach

Chirurgische Klinik, Bergmannsheil Bochum

Interessenkonflikt: Die Autoren erklären, dass keine Interessenkonflikte vorliegen.

@Literatur im Internet:
www.aerzteblatt.de/lit4915

1.
Kolakowsky-Hayner SA, Crew J, Moran S, Shah A: Safety and feasibility of using the Ekso™ Bionic Exoskeleton to aid ambulation after spinal cord Injury. J Spine 2013; S4: 003.
2.
Lajeunesse V, Vincent C, Routhier F, Careau E, Michaud F: Exoskeletons’ design and usefulness evidence according to a systematic review of lower limb exoskeletons used for functional mobility by people with spinal cord injury. Disabil Rehabil Assist Technol 2015: 1–13. [Epub ahead of print MEDLINE
3.
Asselin P, Fineberg D, Harel NY, et al.: One-month follow-up for robotic exoskeletal walking measurements. J Spinal Cord Med 2013; 36: 537–8.
4.
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6.
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Merkmale und Anwendung der Exoskelette
Merkmale und Anwendung der Exoskelette
Tabelle
Merkmale und Anwendung der Exoskelette
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2.Lajeunesse V, Vincent C, Routhier F, Careau E, Michaud F: Exoskeletons’ design and usefulness evidence according to a systematic review of lower limb exoskeletons used for functional mobility by people with spinal cord injury. Disabil Rehabil Assist Technol 2015: 1–13. [Epub ahead of print MEDLINE
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