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Medizin

Exoskelett ermöglicht Patienten Bewegung trotz Tetraplegie

Freitag, 4. Oktober 2019

Exoskelette wie hier eines auf der Pflegemesse Rehacare ermöglichen Querschnittsgelähmten das Laufen; /picture alliance / Marcel Kusch

Grenoble – Ein allein durch Hirnsignale gesteuertes Exoskelett hat es einem an allen 4 Gliedmaßen gelähmten Mann in Frankreich erlaubt, seine Arme zu bewegen und in einem an der Decke befestigten Geschirr zu laufen. Die Autoren der in The Lancet Neurology erschienen Proof-of-Concept-Studie (doi:10.1016/S1474-4422(19)30321-7weisen allerdings darauf hin, dass diese frühen Ergebnisse zwar vielversprechend, das System aber von einer klinischen Anwendung noch weit entfernt sei.

Erprobt wurden in der über 2 Jahre laufenden Studie ein Ganzkörper-Exoskelett mit 4 Gliedmaßen, welches über die Aufzeichnung und Entschlüsselung von Hirnsignalen funktioniert.

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Die Steuerung von 4 Gliedmaßen sei eine Besonderheit dieser Studie. In den meisten vorherigen Arbeiten sei jeweils nur ein Bein oder ein Arm kontrolliert worden, berichtet der Neurochirurg Alim-Louis Benabid, Vorstandsvorsitzender des biomedizinischen Forschungs­zentrums Clinatec und emeritierter Professor der Universität Grenoble. Darüber hinaus „ist unser System das erste semiinvasive, drahtlose Gehirn-Computer-System für den Langzeit­einsatz“, ergänzt Benabid, der auch schon an der Erfindung der Tiefen Hirnstimulation für Parkinson-Patienten beteiligt war.

Bislang wurden die Rekorder zur Aufzeichnung von Hirnsignalen immer unter die äußerste Hirnmembran implantiert und waren außerdem mit Kabeln verbunden, wodurch das System auf die Steuerung jeweils nur einer Gliedmaße beschränkt war.

Bei Rückenmarksverletzungen in Halshöhe bleiben aber rund 20 % der Patienten an allen 4 Gliedmaßen partiell oder vollständig gelähmt. Der 28-jährige Patient in der Studie von Benabid und seinen Kollegen war von den Schultern abwärts gelähmt, mit einer gewissen Restbewegungsfähigkeit im Bizeps und dem linken Handgelenk. Er war in der Lage, mithilfe eines Joysticks, den er mit seinem linken Arm bediente, einen Rollstuhl zu manövrieren.

Die beiden Aufzeichnungsgeräte wurden auf beiden Seiten seines Kopfes zwischen Gehirn und Haut implantiert, über dem sensorimotorischen Kortex, also der Gehirnregion, die Empfindung und motorische Funktion kontrolliert. Jeder der beiden Rekorder enthält ein Netz aus 64 Elektroden, die die Hirnsignale auffangen und dann an einen Entschlüsselungs­algorithmus übertragen. Dieses System übersetzt die Hirnsignale in die Bewegungen, an die der Patient denkt, und sendet Befehle an das Exoskelett, welches die Bewegungen ausführt.

Es war ursprünglich noch ein 2. Patient für die Studie rekrutiert worden, der aber aufgrund eines technischen Problems mit den Gehirnimplantaten – sie kommunizierten nicht mehr mit dem Algorithmus und mussten entfernt werden – ausgeschlossen werden musste.

Training mit Avatar und Computerspielen

Im Laufe der 24 Studienmonate verrichtete der Patient verschiedene gedankliche Aufgaben, um den Algorithmus zu trainieren: die Steuerung eines virtuellen Avatars, um ein Computer­spiel zu spielen (ähnlich dem Spieleklassiker Pong), mit dem virtuellen Avatar oder im Exoskelett nach Gegenständen zu greifen und zu gehen.

Die Fortschritte des Patienten beurteilten die Wissenschaftler anhand der Zahl an Freiheits­graden, die er bei Aufgaben erzielte, von der Bedienung eines gehirngesteuerten Schalters, um mit dem Gehen zu beginnen, bis hin zum Ausstrecken eines Arms, um zwei- oder drei­dimensionale Objekte zu greifen.

Das Exoskelett hat 14 Gelenke und 14 Freiheitsgrade, ist also in der Lage, sich auf 14 verschiedene Arten zu bewegen. Insgesamt verbrachte der Patient 45 Tage damit, das Exoskelett im Labor zu bedienen. Die dort erlernten Fähigkeiten verfestigte er in 95 Tagen Training zuhause mit einem Avatar und einem Computerspiel.

Die einfachste Aufgabe war, den Gehirnschalter umzulegen, um im Computerspiel den Avatar loslaufen zu lassen und das Exoskelett dazu zu bringen, loszulaufen, während es am Geschirr befestigt war. Sein Erfolg wurde danach bemessen, wie oft er es schaffte, den Gehirnschalter zu betätigen. 2 Monate nach dem Eingriff war er in 6 Trainingseinheiten im Exoskelett insgesamt 73 % der Zeit erfolgreich gewesen. Mithilfe des Avatars, des Compu­ter­­spiels und des Exoskeletts schaffte er es, in 39 Trainingseinheiten eine Strecke von insge­samt 145 Metern in 480 Schritten zu gehen.

5 Monate nach dem Eingriff war er in der Lage, mit einer Hand nach einem Gegenstand auf einem Würfel zu greifen (Bewegung in 3 Dimensionen). 16 Monate nach dem Eingriff gelang es ihm, mit beiden Händen nach einem Gegenstand zu greifen (Bewegung in 8 Dimensio­nen, inklusive Rotation beider Handgelenke). Bei 5 achtdimensionalen Aufgaben lag seine Erfolgsrate bei insgesamt 71 %.

Die Autoren um Benabid berichten, dass das System in den 24 Studienmonaten für jeweils bis zu 7 Wochen nicht rekalibriert werden musste, was auf seine Eignung für den Alltags­einsatz über längere Zeiträume hinweise. Die Qualität der Aufzeichnungen durch die Implantate blieb stabil, der Algorithmus fuhr fort, die Signale zu entschlüsseln und es kam nicht zu postoperativen Komplikationen.

„Weit weg von nutzbarer klinischer Anwendung“

„Unsere Ergebnisse bringen uns der Situation einen Schritt näher, es querschnittgelähmten Patienten zu ermöglichen, Computer mit Hirnsignalen zu bedienen, vielleicht anfangs nur ihre Rollstühle und irgendwann ein Exoskelett“, sagt Stephan Chabardes, Neurochirug am Universitätsklinikum Grenoble und Seniorautor der Studie.

Es wurden bereits 3 weitere Patienten rekrutiert und die Studie läuft weiter. Das nächste Problem, das die Forscher angehen wollen, ist es, den Patienten zu ermöglichen, zu laufen und das Gleichgewicht zu halten, ohne dass sie in einem Geschirr an der Decke befestigt sind.

In einem Kommentar zur Studie, der ebenfalls in The Lancet Neurology erschienen ist, betont Tom Shakespeare, Professor für Behinderungsforschung an der London School of Hygiene and Tropical Medicine, dass „diese Studie einen willkommenen und spannenden Fortschritt darstelle, man aber nicht vergessen darf, dass ein Machbarkeitsbeweis noch weit weg ist von einer nutzbaren klinischen Anwendung“.

Er warnt, dass auf diesem Gebiet immer die Gefahr eines Hypes bestehe. Doch selbst wenn Systeme dieser Art irgendwann funktionieren sollte, würden die Kosten allein schon verhin­dern, dass alle querschnittsgelähmten Menschen Zugang zu High-Tech-Exoskeletten bekä­men. Er verweist auf eine Analyse, die zeigt, dass bereits heute nur rund 15 % der behin­derten Menschen auf der Welt Zugang zu Rollstühlen und anderen Hilfsmitteln haben. © nec/aerzteblatt.de

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