Interaktiver Exoskelett-Roboter zum Gehen

Ein Schlaganfall wird durch eine intrakranielle Blutung oder Thrombose verursacht, die die arterielle Versorgung des Gehirngewebes unterbricht und normalerweise die motorische Bahn des zentralen Nervensystems schädigt, die eine Seite des Körpers betrifft. Ein reduzierter absteigender neuronaler Antrieb zur betroffenen Seite könnte zu Hemiplegie führen, die die Aktivität des täglichen Lebens (ADL) von Schlaganfall-Überlebenden signifikant beeinflusst (Singam, Ytterberg, Tham & von Koch, 2015). Während die motorische Beeinträchtigung der oberen Extremität mit der kontralateralen Seite zum Aufnehmen oder Manipulieren von Gegenständen kompensiert werden könnte, würde der Verlust der motorischen Funktionalität an der unteren Extremität die Beweglichkeit und das Körpergleichgewicht erheblich einschränken. Viele Schlaganfall-Überlebende sind beim Stehen und Gehen auf Gehhilfen oder manuelle Unterstützung durch Pflegekräfte angewiesen, da sie sonst einem großen Sturzrisiko mit schwerwiegenden Folgen ausgesetzt wären (Tasseel-Ponche, Yelnik & Bonan, 2015).

Jüngste Studien legen nahe, dass Schlaganfallpatienten die Gehfähigkeit wiedererlernen könnten, indem sie durch einen langfristigen Anpassungsprozess, der als Neuroplastizität bekannt ist, alternative neuronale Schaltkreise entwickeln. Hochintensives, repetitives und aufgabenspezifisches Gangtraining ist der Schlüssel zur Verbesserung der Gangwiederherstellung von hemiplegischen Schlaganfallpatienten (Kreisei, Hennerici & Bäzner, 2007; Kleim & Jones, 2008). Die Entwicklung robotergestützter Exoskelettgeräte für die unteren Extremitäten hat ein großes klinisches Potenzial in der Schlaganfallrehabilitation. Viele Exoskelett-Roboter für die unteren Extremitäten sind für nicht gehfähige Schlaganfallpatienten klinisch verfügbar, um das Gehen mit passiver Unterstützung beim körpergewichtsunterstützten Laufbandtraining (BWSTT) zu üben (Morone, et al., 2017).

Bestehende roboterunterstützte Gangtrainings (RAGT) wie Lokomat und elektromechanische Gangtrainer bieten automatische, rhythmische und sich wiederholende motorische Unterstützung für die großen Gelenke der unteren Extremitäten an Hüfte und Knien (Poli, Morone, Rosati & Masiero, 2013). Groß angelegte randomisierte kontrollierte Studien (RCT) mit diesen RAGT in Kombination mit konventionellen Therapien zeigen, dass signifikant mehr Patienten mit chronischem Schlaganfall die funktionelle Gangunabhängigkeit und ADL verbesserten, als wenn sie konventionelle Therapien allein erhielten (Pohl, et al., 2007; Schwartz, et al., 2009 ; Hidler, et al., 2009; Mehrholz, et al., 2013). Hesse, Schmidt, Werner & Bardeleben (2003) schlagen jedoch vor, dass die Integration von Robotern in die Gangrehabilitation lediglich ein Hilfsmittel für Therapeuten sein könnte, um die Trainingsintensität und -sicherheit zu erhöhen, ohne ihre Arbeitsbelastung zu erhöhen. Die meisten klinisch verfügbaren RAGT sind an Laufbänder mit passiver Unterstützung gebunden (van Peppen, et al., 2004; Morone, et al., 2017), aber Untersuchungen zeigen, dass Aufgabenvariationen und eine aktive Teilnahme am Gangtraining die Beibehaltung des neu Gelernten verbessern könnten Fähigkeiten und könnten die Generalisierung von Trainingseffekten fördern (Salbach, et al., 2004; Kwon, Woo, Lee & Kim, 2015). Besonders für ambulante Schlaganfallpatienten wäre ein tragbares RAGT, das ein aktives oberirdisches Gangtraining ermöglicht, erfolgversprechender.

Roboterunterstützte Knöchel-Fuß-Orthesen (AFO) und Knieorthesen sind gute Kandidaten für tragbare Exoskelett-Geräte für RAGT bei hemiplegischen Schlaganfallpatienten (Duerinck, et al., 2012; Zhang, Davies & Xie, 2013; Mehrholz, et al., 2017) . Herkömmliche AFO ist hauptsächlich für die Behandlung von Fußheberganganomalien mit passiver Unterstützung bei der Dorsalflexion des Sprunggelenks für die Fußfreiheit in der Schwungphase und Stoßdämpfung bei der Belastungsreaktion konzipiert. Herkömmliche Knieorthesen sind hauptsächlich für die Körperunterstützung in der Standphase konzipiert. Die Integration einer Roboterunterstützung in das betroffene Sprung- und/oder Kniegelenk könnte eine aktive Kraftunterstützung bieten, die sich mit der willkürlichen Restknöchel- und/oder Kniebewegung des Patienten synchronisiert. Langfristige aktive Kraftunterstützung könnte die erfahrungsgesteuerte Erholung des Gangs stimulieren oder ein kompensatorisches Gangmuster entwickeln, um das Gehen zu erleichtern (Kleim & Jones, 2008).

Um die robotergestützte Rehabilitationsforschung in die klinische Anwendung zu überführen, sollte evidenzbasierte klinische Forschung durchgeführt werden, um die Sicherheit und Wirksamkeit der neuen Geräte oder Interventionen bei Schlaganfallpatienten zu testen (Backus, Winchester & Tefertiller, 2010). Viele Designs von robotergestützter AFO und Knieorthesen wurden von verschiedenen Forschungsgruppen vorgeschlagen, aber die meisten von ihnen berichteten nur über die Ergebnisse von Machbarkeitstests, hauptsächlich an gesunden Probanden mit kleinen Stichprobengrößen (Dollar & Herr, 2008; Shorter, et al. , 2013; Alam, Choudhury & Bin Mamat, 2014). Die Mehrheit früherer Studien befasste sich mit den unmittelbaren Auswirkungen des Tragens der robotergestützten AFOs und Kniestützen während des Gehens, aber nur wenige Studien untersuchten die langfristigen therapeutischen Auswirkungen des Tragens der Geräte für RAGT bei Schlaganfallpatienten (Lo, 2012). Insbesondere die systematische Übersichtsarbeit von Mehrholz et al. (2017) zeigt, dass nur eine RCT die Wirksamkeit des Knöcheltrainings mit robotergestützter AFO, aber in sitzender Position, bewertet hat, keine RCT hat das Gangtraining mit robotergestützter AFO sowohl beim Gehen über Grund als auch beim Treppensteigen bewertet.

In dieser Studie wurden der Exoskelett-Knöchelroboter und der Knieroboter als robotergestützte AFO und Knieorthese für das Gangtraining von Schlaganfallpatienten mit Fußheberganganomalie vorgeschlagen und bewertet. Die klinische Anwendung von robotergestützter AFO und Knieorthese bei Schlaganfallpatienten muss einige wichtige Herausforderungen bewältigen, z. B. die Gewichtsbelastung des Beins reduzieren und die Tragbarkeit und Anpassungsfähigkeit an verschiedene Gehumgebungen erreichen. Der Exoskelett-Knöchelroboter und die Knieorthese haben folgende Ziele: (1) Bereitstellung einer synchronisierten aktiven Knöchel- und/oder Kniekraftunterstützung zur Erleichterung des Gehens, (2) Entwicklung einer genauen und zuverlässigen Methode zur Klassifizierung der Gehabsicht des Benutzers beim Gehen über Grund und Treppensteigen, (3) Bereitstellung eines Trainingsprotokolls für RAGT von Schlaganfallpatienten mit Fußheberganganomalie. Die Machbarkeitstests und RCT des Exoskelett-Knöchelroboters und der Knieorthese könnten den klinischen Wert dieses neuen Rehabilitationsroboters validieren und möglicherweise eine neue Intervention der Gangrehabilitation für Schlaganfallpatienten etablieren.