Ein Team der Universität Utah hat ein leichtes, robotergestütztes Hüftexoskelett entwickelt, das Schlaganfallpatienten das Gehen erleichtert. Erste Ergebnisse zeigen, dass es den Energieaufwand bei jedem Schritt deutlich reduzieren kann.
Für Millionen von Schlaganfallpatienten kann schon das Durchqueren eines Raumes einer Bergwanderung mit einem schweren Rucksack auf dem Rücken gleichkommen. Ein neues robotergestütztes Hüftexoskelett von Ingenieuren der Universität Utah soll diese Belastung verringern.
In einer Pilotstudie veröffentlicht in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht Forscher des John and Marcia Price College of Engineering und des College of Health zeigten, dass ein tragbares, 5.5 Kilogramm leichtes Hüftexoskelett den Energieaufwand beim Gehen bei Menschen mit Hemiparese, einer häufigen Folge eines Schlaganfalls, die eine Körperhälfte schwächt und versteift, um fast 20 % reduzieren kann.
Das Gerät, das um die Hüfte getragen und an den Oberschenkeln befestigt wird, nutzt batteriebetriebene Motoren, um jedes Bein bei jedem Schritt zu unterstützen. Ein integriertes Steuerungssystem erfasst die Bewegung des Benutzers in Echtzeit und gibt zusätzliche Unterstützung, wenn die Hüfte das Bein anheben oder abstoßen muss, wodurch jeder Schritt effizienter wird.
Eine Halbseitenlähmung betrifft etwa 80 % der Schlaganfallüberlebenden und ist eine der Hauptursachen für Behinderungen in den Vereinigten Staaten. Da eine Körperhälfte schwächer ist, muss die andere Seite mehr leisten, um dies auszugleichen. Dieses Ungleichgewicht kann das Gehen um bis zu 60 % energieaufwendiger machen als bei Menschen mit normalem Gangbild, was zu langsamerem Gehen, Erschöpfung, Schmerzen und einem höheren Sturzrisiko führt.
„Die Verbesserung der Lebensqualität nach einem Schlaganfall ist eine der größten ungelösten Herausforderungen im heutigen Gesundheitswesen“, sagte Studienleiter Tommaso Lenzi, außerordentlicher Professor am Institut für Maschinenbau, in einer Pressemitteilung. „Wir zeigen nun, dass Robotik hier einen messbaren Beitrag leisten kann.“
Der Ansatz des Teams aus Utah unterscheidet sich von früheren Bemühungen, die sich auf das Sprunggelenk konzentrierten. Viele Forscher haben versucht, Gehprobleme nach einem Schlaganfall mithilfe von motorisierten Sprunggelenkorthesen zu lösen, da Probleme wie Fußheberschwäche und eine schwache Abstoßkraft im Sprunggelenk leicht zu erkennen sind. Diese Geräte haben jedoch nicht die erhofften Verbesserungen gebracht.
„Tragbare Knöchelexoskelette konnten den Energieaufwand für Schlaganfallpatienten beim Gehen nicht reduzieren, deshalb haben wir einen anderen Ansatz vorgeschlagen“, fügte Erstautor Kai Pruyn, Doktorand in Lenzis HGN-Labor für Bionische Technik, hinzu.
Pruyn und seine Kollegen erkannten, dass Menschen bei einer Schwäche des Sprunggelenks häufig ihre Hüftmuskulatur stärker beanspruchen, was zusätzlichen Energieverbrauch zur Folge hat. Diese Erkenntnis veranlasste sie, stattdessen ein hüftorientiertes Gerät zu entwickeln.
„Patienten mit Knöchelschwäche kompensieren dies oft über die Hüftgelenke, was zusätzlichen Energieaufwand erfordert. Unser Ziel war die Entwicklung eines leistungsstarken und vollständig tragbaren Hüftexoskeletts“, fügte Pruyn hinzu. „Hüftexoskelette können zudem extrem leicht sein, da sie näher am Körperschwerpunkt des Trägers getragen werden und im Vergleich zu Knöchelexoskeletten ein geringeres Drehmoment benötigen. Wir stellten fest, dass die Hüftunterstützung den reduzierten Vortrieb im Knöchelbereich effektiv kompensierte.“
Lenzis Labor ist bekannt für tragbare Robotik, einschließlich der Utah Bionic LegDie Studie, die vom Time Magazine zu einer der besten Erfindungen des Jahres 2023 gekürt wurde, ist eine der ersten, die eindeutige Vorteile für Menschen mit Halbseitenlähmung nach einem Schlaganfall nachweist. Andere Forschungsgruppen haben Hüftexoskelette an gesunden Probanden getestet und gezeigt, dass sie die Gehfähigkeit verbessern können.
Um das neue Gerät zu testen, luden die Forscher sieben Schlaganfallpatienten mit Halbseitenlähmung ins Labor ein. Mithilfe präziser Bewegungserfassungskameras und eines instrumentierten Laufbands zeichneten sie auf, wie jeder Teilnehmer mit und ohne Exoskelett ging. Die Probanden trugen außerdem Geräte, die ihren Kalorienverbrauch in den jeweiligen Bedingungen schätzten.
Anhand dieser Messungen berechnete das Team den Energieverbrauch beim Gehen. Mit eingeschaltetem Exoskelett übernahm das Gerät fast 30 % der normalerweise von den Hüftgelenken geleisteten Arbeit. Diese Unterstützung führte zu einer Senkung des Gesamtenergieverbrauchs beim Gehen um 18 %.
Mitautor Bo Foreman, Professor für Physiotherapie und Sporttraining, verglich den Unterschied mit dem Abwerfen einer schweren Last.
„Für einen Menschen mit gesundem Gang wäre das, als würde man einen 30 Kilogramm schweren Rucksack abnehmen“, sagte er in der Pressemitteilung. „Für jemanden mit Halbseitenlähmung ist das eine lebensverändernde Erleichterung.“
Die Studienteilnehmer spürten die Veränderung in ihren alltäglichen Bewegungen. Eine Schlaganfallüberlebende, Lidia, beschrieb, wie eingeschränkt sie vor der Anwendung des Geräts war. „Anfangs konnte ich mein Bein gar nicht bewegen“, sagte sie. „Aber mit dem Gerät ist es jetzt viel besser.“
„Anfangs konnte ich mein Bein gar nicht bewegen“, sagte Lidia, eine der Teilnehmerinnen und Schlaganfallüberlebende. „Aber mit dem Gerät ist es jetzt viel besser.“
Ihr Ehemann Marcellus bemerkte, dass die positiven Effekte auch dann anhielten, wenn sie das Exoskelett nicht trug.
„In gewisser Weise hat das Exoskelett ihr einen Teil dieser Bewegungen abgenommen“, sagte er. „Je häufiger wir es benutzten, desto besser ging es ihr auch ohne.“
Diese Art von Folgeeffekt deutet auf ein vielversprechendes Potenzial hin: Indem das Exoskelett das Gehen erleichtert und symmetrischer gestaltet, könnte es die Bewegung nicht nur unmittelbar unterstützen, sondern auch langfristig das Nervensystem trainieren. Während sich die vorliegende Studie auf die unmittelbare Energieeinsparung konzentrierte, könnten zukünftige Forschungen untersuchen, ob die regelmäßige Anwendung zu dauerhaften Verbesserungen von Kraft, Koordination und Selbstvertrauen führt.
Das Gerät selbst ist für den Alltag konzipiert. Mit nur 5.5 kg Gewicht und der Trageweise nahe am Körperschwerpunkt ist es deutlich leichter und weniger sperrig als viele frühere Exoskelette. Motoren und Steuerungssystem sind vollständig mobil, sodass die Nutzer nicht an eine Stromquelle oder Laborgeräte gebunden sind.
Dennoch ist noch einiges zu tun, bevor ein solches System wie eine Orthese oder ein Rollator verschrieben werden kann. Die nächsten Schritte für Lenzis Team umfassen Tests des Hüftexoskeletts außerhalb des Labors, um seine Sicherheit und Wirksamkeit im Alltag und zu Hause zu gewährleisten. Dazu müssen die Mechanik und die Steuerungssoftware optimiert werden, damit das Gerät Herausforderungen im Alltag wie Drehen, Treppensteigen, Aufstehen vom Stuhl und das Begehen von unebenem Gelände bewältigen kann.
Das Labor arbeitet mit führenden Anbietern von Prothesen und Orthesen zusammen, um den Prototyp in ein Produkt zu überführen, das von Klinikern individuell an die Patienten angepasst werden kann. Diese Art der Zusammenarbeit ist entscheidend, um die Technologie erschwinglich, langlebig und benutzerfreundlich zu gestalten.
Das übergeordnete Ziel des Teams geht über die Ingenieurskunst hinaus.
„Unser Ziel ist es, sicherzustellen, dass ein Schlaganfall nicht die Grenzen dessen definiert, wohin ein Mensch gehen kann oder wie er leben kann“, fügte Lenzi hinzu.
Wenn sich die ersten Ergebnisse in größeren, längerfristigen Studien bestätigen, könnten leichte Hüftexoskelette zu einem neuen Instrument in der Schlaganfallrehabilitation werden und den Betroffenen helfen, den unsichtbaren 30 Kilogramm schweren Rucksack gegen ein freieres, unabhängigeres Leben einzutauschen.
Quelle: University of Utah