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Modularer Hand/Arm-Rehabilitator "HARE"

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Die Wiederherstellung und Unterstützung von Arm- und Handfunktionen ist von großer Bedeutung für ein eigenständiges, selbstbestimmtes Leben zu Hause. Aufgrund der vielen Freiheitsgrade in der Bewegung von Arm und Hand, sowie der großen Anzahl meist kleinerer Muskeln zur Bewegungsgenerierung, stellt die Entwicklung von intelligenten Assistenz- und Therapiesystemen für die obere Extremität eine große Herausforderung dar. Der Hand/Arm Rehabilitator HARE besteht aus fünf Modulen, welche nach Bedarf flexibel kombiniert werden können und in der stationären und ambulanten Reha sowie im häuslichen Umfeld zum Einsatz kommen sollen. 

Folgende Therapiesysteme für die Wiederherstellung von Arm- und Handfunktionen nach Schlaganfall und bei Querschnittsgelähmten werden entwickelt:

  • Funktionelle Elektrostimulation
  • Reha-Robotik
  • Biofeedback/VR (audio-visuell & haptisch)
  • Telerehabilitation

Kurzvorstellung des Gesamtprojektes

  • A1: Hand-Neuroprothese
  • A2: Arm-Neuroprothese
  • A3: Hybride Neuroprothetik-Robotik Therapie
  • A4: Haptische roboterunterstützte Teletherapie
  • A5: VR-Spiegeltherapie

A1: Hand-Neuroprothese

Das Ziel des Teilprojektbausteins ist die Entwicklung einer Handneuroprothese auf Basis der funktionellen Elektrostimulation (FES). Durch transkutane, künstliche Nervreizung werden die gelähmten Muskeln des Unterarms für die Handbewegung reaktiviert. Dazu werden im Teilprojekt A1 sogenannte Elektrodenarrays designt und genutzt. Sie betsehen aus einer Matrix von kleinen Elektrodenelementen und ermöglichen im Gegensatz zu klassischen Einzelektroden eine selektivere Stimulation. Diese ist notwendig , um möglichst physiologische Greifbewegungen zu ermöglichen.

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Die hohe Individualität der Bewegungsbeeinträchtigung und der Sensibilität bezüglich FES machen eine patientenindividuelle Anpassung der Stimulationsparameter notwendig. Die dynamischen, zeitinvarianten Eigenschaften, wie z.B. Muskelermüdung, erfordern zudem eine Adaption der Parameter während der Therapiesitzung. Diese Anforderungen werden in der neuen Handneuroprothese über eine adaptiv geregelte FES realisiert. Die Feedback-Regelung minimiert die Abweichung zwischen der gemessenen und der gewünschten Handbewegung und kontrolliert so das Erreichen des Therapieziels.Die Position der einzelnen Finger in Bezug zum Handballen sowie die Position und Drehung der Hand müssen dafür kontinuierlich erfasst werden. Da optische Systeme im Klinikalltag oder im häuslichen Umfeld zu aufwändig sind, wird im Rahmen des Teilprojekt eine Inertialsensor (IMU) basierte Handsensorik entwickelt.

Um eine effektive Rehabilitation zu gewährleisten soll eine automatische Intentionserkennung integriert werden, mit der die Stimulation gesteuert werden kann. Dies kann durch die Messung und Auswertung von Elektromyographie (EMG)-Signalen oder kinematischen Größen (z.B. bestimmte Bewegungen) realisiert werden. Die Integration der Patientenintention fördert das Neu-Lernen der Bewegung auf physiologischer sowie psychologischer Ebene.

Lupe [3]

Haupt-Innovationsbereiche des Teilprojektbausteins:

  1. Verwendung von Elektrodenarrays  zur selektiven Ansteuerung von Muskeln im Unterarm
  2. Entwicklung einer Klinik tauglichen Handsensorik mit integrierten Inertialsensoren
  3. Algorithmen zur automatischen Konfiguration des Elektrodenarrays unter Verwendung der Finger- und Handposition
  4. Regelungsverfahren für die Generierung komplexer Hand- und Fingerbewegungen um verschiedene Greifarten neu zu erlernen bzw. zu unterstützen
  5. Intentionserkennung mittels kinematischer Größen und / oder Biosignalen (Elektromyogramm (EMG))

Mehr zu Veranstaltungen [4], Öffentlichkeitsarbeit [5]und Publikationen [6] im Teilprojekt A1.

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A2: Arm-Neuroprothese

Lupe [7]

In diesem Teilprojekt soll eine innovative Mensch-Technik-Schnittstelle verwendet werden, die kontinuierlich mittels kinematischer Größen sowie Elektromyographie-Messungen die willentliche Restmuskelaktivität (vEMG (Engl.: volitional EMG)) des Patienten und die durch Stimulation verursachte Muskelkontraktion erfasst. Mit Hilfe der Armprothese erfolgt eine Restkraftverstärkung bzw. teilweise Gewichtsentlastung des Armes. Durch eine umfassende Sensorik können auch unerwünschte Reaktionen des Körpers, wie Spastiken, erkannt und bei der Regelung der FES berücksichtigt werden. Um das Systemdesign und die Handhabung am Patienten einfach zu halten, soll ein Funk-Miniatur-Stimulator mit integrierter EMG-Messung und Inertialsensorik zum Einsatz kommen. Ein solches Modell lässt sich auch leichter ohne größeren Zeitaufwand an ein Individuum anpassen. Dies stellt eine Grundvoraussetzung für einen praktischen Einsatz des Systems dar. Die Regelung des Systems erfolgt über eine mobile Steuereinheit, über welche die Sensoren ausgelesen u nd die ebenfalls mobilen Stimulationsgeräte angesteuert werden. Mittels einer auf einem Smartdevice (Tablet) basierenden Benutzerschnittstelle kann eine geführte Adaption des Systems an den jeweiligen Probanden durchgeführt werden. Ein Biofeedback wird ebenfalls auf dem Smartdevice umgesetzt.

Haupt-Innovationsbereiche des Teilprojektbausteins:

  1. Innovatives Stimulationssystem basierend auf Funk-Miniatur-Stimulationseinheiten mit integrierter EMG-Messung und Inertialsensorik
  2. eEMG-basierte Regelung (Lambda-Regelung) zur Verringerung des Einflusses von nichtlinearen und zeitvarianten Effekten der elektrisch stimulierten Muskeln
  3. Automatische Anpassung des Systems an sich ändernde Bedingungen wie muskuläre Ermüdung und spastische Eigenschaften
  4. Regelung der Stimulationsintensität um eine Gewichtsentlastung durch die Neuroprothese zu erzeugen
  5. Die Steuerung der Bewegungsunterstützung erfolgt durch die Restwillküraktivität.

Mehr zu Veranstaltungen [8], Öffentlichkeitsarbeit [9]und Publikationen [10] im Projekt A2.

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A3: Hybride Neuroprothetik-Robotik Therapie

Lupe [11]

In diesem Teilprojektbaustein soll für die Rehabilitation der oberen Extremitäten ein aktives elektro-mechanisches System mit geregelter FES kombiniert werden. Betrachtet wird hierbei das Endeffektorbasierte Seilaktuatorik-System Diego der Firma Tyromotion (Graz, Österreich). Dieses unterstützt Armbewegungen durch Kräfte und Momente, die distal am Unterarm und am Handgelenk eingeprägt werden. Mittels des über dem Patienten befindlichen Diego kann eine aktive, geregelte Gewichtsentlastung der Arme realisiert werden (nur zwei Freiheitsgrade je Arm) sowie die Position/Orientierung des Unterarms im Raum mit Bezug zur Schulterposition bestimmt werden.

Die Kombination von FES und Robotik bietet mehrere Vorteile:

  • Umsetzung eines erweiterten Assist-as-needed-Therapieansatzes: Der Patient trägt soweit wie möglich selbst zur Bewegungserzeugung bei. Noch bestehende Defizite werden zunächst mittels FES ausgeglichen (durch die Aktivierung der gelähmten Muskeln und ein entsprechende verstärktes sensor-motorisches Feedback) und erst danach durch die Robotik. Somit soll die Eigenbeteiligung des Patienten an den Übungen maximiert werden. Die notwendige Gewichtsentlastung des Arms beim Diego kann z.B. gezielt auf die FES und das Robotiksystem aufgeteilt werden.
  • Realisierung gewünschter Armbewegungen bzw. Gelenkwinkelverläufe, die durch alleinige FES oder Robotik-Unterstützung nicht möglich wären: Beim Diego können z.B. durch die verwendete Seilaktuatorik keine horizontalen Hilfskräfte auf den gewichtsentlasteten Arm ausgeübt werden. Eine Unterstützung von z.B. „Brustschwimmbewegungen“ kann jedoch durch FES erfolgen. Ellenbogengelenk- und Schultergelenkwinkel sind bei Einsatz Endeffektor-basierter Robotik niemals eindeutig bestimmt, können aber durch Einsatz von zusätzlicher FES gezielt beeinflusst werden.
  • Verlängerung der Therapiedauer durch die Robotik auch bei durch FES ermüdeten Muskeln.

Das Diego-System in Kombination mit FES für das Üben von Armbewegungen nach Schlaganfall zeichnet sich durch folgende Haupt-Innovationsbereiche aus:

  1. Kombination von funktioneller Elektrostimulation und Robotik für die obere Extremität
  2. Unterstützung möglichst vieler Freiheitsgrade des Arms durch FES und Robotik gleichzeitig
  3. Modell- und Regelungsansätze für ein hybrides System, bei dem Bewegungen durch FES, Robotik und den Menschen generiert werden können
  4. Adaptive hybride Therapieverfahren zur Maximierung der Patientenmitarbeit

Mehr zu Veranstaltungen [12], Öffentlichkeitsarbeit [13]und Publikationen [14] im Teilprojekt A3.

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A4: Haptische roboterunterstützte Teletherapie

Das Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung eines integrierten haptischen Telerehabilitationssystems für die häusliche neurologische Rehabilitation. Mit einem solchen System soll erstmalig eine Fortsetzung der in der Rehabilitationsklinik begonnenen Übungstherapie-Behandlung der oberen Extremität (Arm/Hand) im häuslichen Bereich des Patienten ermöglicht werden. Zwei im stationären Umfeld erfolgreich erprobte Technologien und Systemen werden für den Einsatz in der ambulanten und häuslichen Therapie weiter- und neuentwickelt. Die vorgesehenen intelligenten Übungsgeräte des Systems basieren auf den im stationären klinischen Umfeld bereits erfolgreich im Einsatz befindlichen Übungsgeräten "Bi-Manu-Track" (für Patientenstation 1) und "Reha-Slide" (für Patientenstation 2).

Das Konzept der Telerehabilitation beinhaltet zwei unterschiedliche Modi: a) den synchronen Fernbetreuungsmodus und b) den asynchronen autonomen Modus. Beim Fernbetreuungsmodus handelt es sich um eine Echtzeit-Interaktion zwischen einem Therapeuten und einem Patienten. Dabei liegt der Fokus neben der audio-visuellen Telekommunikation erstmals auch auf einer parallelen und integrierten haptischen Telekommunikation. Auf diese Weise soll mittels zweier Software- und Regelungstechnisch gekoppelter haptischer Übungsgeräte der aus der stationären Therapie gewohnte physische Kontakt zwischen Therapeut und Patient hergestellt werden. Im autonomen Modus führt der Patient die Therapieübungen hingegen selbstständig zu Hause aus, die Therapiedaten werden zu einem späteren Zeitpunkt dem Therapeuten zum Monitoring und Bewerten übertragen und dargestellt.

Systemkonzept der haptischen Tele-Bewegungsrehabilitation
Lupe [15]

Haupt-Innovationsbereiche:

  1. Integrierte, roboter-basierte multimodale Therapiesysteme, die vom Bewegungs- und oft auch kognitiv eingeschränkten Patienten eigenständig bedient werden können.
  2. Algorithmen zur intelligenten, individuellen Erkennung des Lernfortschritts und Anpassung der Bewegungsführung mit dem Ziel einer optimalen Unterstützung des motorischen Lernens ("Assist-as-needed", Individual Task Level Adaptation)
  3. Intelligente Steuerungs- & Monitoringalgorithmen für einen autonomen Betrieb in ambulanten und häuslichen Szenarien zur eigenständigen Therapiedurchführung durch den Patienten mit temporärer telemedizinischer Fernbetreuung
  4. Haptische Televerbindung für den Fernbetreuungsmodus, die eine intuitive Echtzeit-Interaktion zwischen den Patienten und Therapeuten gewährleistet

Mehr zu Veranstaltungen [16], Öffentlichkeitsarbeit [17]und Publikationen [18] im Teilprojekt A4.

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A5: VR-Spiegeltherapie

Lupe [19]

Das Ziel des Teilbausteins ist die Entwicklung eines Virtuelle Realitäts-basierten Spiegeltherapiesystems, welches eine unmittelbar und ohne technische Vorkenntnisse einsetzbare Trainingsumgebung für Therapeuten und Patienten in einer optimierten motorischen Rehabilitation ein- und umsetzt. Durch die Implementierung eines standardisierten Therapieprotokolls und den Einbezug vielfältiger Möglichkeiten neuer Medien soll eine motivierende, Therapiemitarbeit fördernde und klinisch effektive Spiegeltherapie entstehen.

Haupt-Innovationsbereiche:

  1. Bildbasiertes (markerloses) 3D Motion Tracking menschlicher Bewegungen in Echtzeit
  2. Integrierte Virtual Reality (VR)-basierte multimodale Therapieszenarien mit Echtzeit-Interaktion (VR-Spiegeltherapie)
  3. Individualisierte Therapieübungen und automatische Adaption an den Lernfortschritt basierend auf algorithmischen Übungsdatenanalysen

Mehr zu Veranstaltungen [20], Öffentlichkeitsarbeit [21]und Publikationen [22] im Projekt A5.

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