Roboter in die Reha?

"HapticWalker" und Exoskelette sollen das Pflegepersonal unterstützen

Aus der Industrieproduktion ist körperliche Schwerstarbeit fast verschwunden. In anderen Bereichen sorgt der demografische Wandel für einen wachsenden Bedarf an kräftigen Armen: in der Pflege und Rehabilitation von kranken und alten Menschen. Während sich wohl die wenigsten Industriearbeiter eine Umschulung zu Pflegekräften gefallen lassen würden, sieht das bei der Technik anders aus. In die personalintensive und anstrengende Reha ziehen die Roboter ein.

Die Ingenieure in der Medizintechnik würden begeistert auf das neue Anwendungsfeld setzen, so Stefan Hesse von der Abteilung Neurologische Rehabilitation der Charité in Berlin: "Derzeit herrscht Aufbruchstimmung". Der Bedarf scheint riesig, denn jährlich gibt es allein in Deutschland 250.000 neue Schlaganfall-Patienten, von denen etwa 70 Prozent unter Gehstörungen sowie 80 Prozent unter Lähmungen von Hand und Arm leiden. Angesichts der demografischen Entwicklung dürfte die Zahl der Patienten deutlich wachsen.

Um nach einem Schlaganfall oder Unfall die ganz oder teilweise gelähmten Körperteile wieder selbst kontrollieren zu können, müssen Patienten vor allem eins: die Bewegungen trainieren. In der derzeitigen Reha-Praxis führen Physiotherapeuten Arme oder Beine der Patienten und wiederholen möglichst oft und möglichst exakt die natürlichen Bewegungen. Dadurch werden Muskeln aktiviert, und nach und nach lernen gesunde Areale im Gehirn und Rückenmark die Bewegungsmuster und können die ausgefallenen Funktionen übernehmen.

HapticWalker. Bild: Henning Schmidt/Fraunhofer Institute for Production Systems and Design Technology (IPK)

Der "HapticWalker"

Die manuelle Reha ist oft Schwerstarbeit. Für Gehübungen mit Patienten, die noch auf den Rollstuhl angewiesen sind, sind zwei bis drei Helfer nötig. Schritt für Schritt setzt ein Therapeut Beine und Füße des Patienten, während gleichzeitig der Oberkörper gestützt werden muss. Mehr als 50-100 Schritte pro Übung sind bei dieser Prozedur kaum zu schaffen.

Roboter sollen das ändern. "HapticWalker" heißt der von Hesse gemeinsam mit Ingenieuren des Fraunhofer-Instituts für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik (IPK) entwickelte Laufsimulator, der nicht nur das Pflegepersonal entlasten, sondern auch neue therapeutische Übungen ermöglichen soll. Die Patienten hängen darin in einem Gurtsystem, Beine und Füße werden von Roboterarmen geführt. Über bewegliche Platten unter den Füßen bekommen die Patienten ein haptisches (Berührungs-) Feedback vermittelt, das der Bodenberührung beim natürlichen Laufen entspricht.

Während es im Klinikalltag schlicht nicht möglich ist, mit Patienten auch nur das Treppensteigen zu üben, simuliert der Roboter sogar Stolpern und Ausrutschen. "Dafür muss das Antriebssystem sehr schnell sein und hohe Beschleunigungen erreichen", so Jörg Krüger, Leiter des Bereichs Automatisierung und Robotik des Fraunhofer IPK. Die Lösung, ein so genannter Linear-Direkt-Antrieb, stammt aus der Industrietechnik.

Ein typisches Beispiel sind Pick-and-Place-Anwendungen in der Elektronik-Fertigung, wo Bauteile extrem schnell auf einer Platine platziert werden müssen.

Jörg Krüger

Noch existiert nur ein Prototyp des "HapticWalker", der in einer an das Institut angrenzenden Werkshalle steht. Mit seinen frei liegende Kabelsträngen und unverkleideten Antriebe erinnert das Gerät deutlich an seine Herkunft. "Huch, ist das groß" sei oft die erste Reaktion der Patienten, die das Gerät bisher getestet haben, meint Stefan Hesse.

Das macht schnell einer Begeisterung Platz, weil sie Treppen steigen können. Ich bin immer wieder erstaunt, aber die Berührungsängste auf Patientenseite sind gar nicht so groß.

Exoskelette

Auch eine andere Berliner Forschergruppe zielt auf die robotergestützte Rehabilitation von Menschen, die in ihrer Bewegungsunfähigkeit eingeschränkt sind. Forscher der Technischen Universität entwickeln so genannten Exoskelette für Schnenkel, Knie oder Hände.

Diese "äußeren Skelette" stützen den Körper und unterstützen aktiv die Motorik. Unter der komplexen Mechanik des Exoskeletts für die Hand, das die einzelnen Finger umschließt und einzeln bewegen kann, verschwindet eine menschliche Hand fast vollständig.

Damit Klavier zu spielen würde vorerst ein Traum bleiben, so die Forscher im Forschungsmagazin der TU , dafür würde die Apparatur "zu sehr stören". Das Exoskelett soll jedoch irgendwann geeignet sein, Finger wie bei der manuellen Physiotherapie zu führen und damit zum Beispiel nach einer Verletzung die Vernarbung zu verhindern. Vom Einsatz in der Klinik sind diese Prototypen noch weit entfernt. "In der Reha streitet man sich über den Ansatz", sagt Jörg Krüger. Ein großes Problem sei zum Beispiel die Befestigung der Geräte am Körper.

Die Entwicklung von Exoskeletten, zum Beispiel für die Unterstützung älterer Menschen, wird vor allem in Japan vorangetrieben. Dabei handelt es sich nach Einschätzung der Berliner Reha-Ingenieure jedoch mehr um Grundlagenforschung, die dort besonders durch die Entwicklung humanoider Roboter inspiriert ist. Deren eigentliche Einsatzzwecke gehen weit über den medizinischen Bereich hinaus, wie Fotos und Skizzen der futuristischen Prototypen deutlich machen.

Da sieht man Darstellungen eines Menschen, der mit Hilfe eines Exoskeletts mit Leichtigkeit einen anderen trägt - oder mehrere Zementsäcke, oder man sieht einen Soldaten mit einem unglaublich schweren Rucksack.

Jörg Krüger

"Ingenieure lieben natürlich Technik", sagt der Mediziner Stefan Hesse. Daher drohe "immer auch das Problem des Over-Engineering". Entscheidend sei jedoch, dass die Technik einen therapeutischen Mehrwert biete. Der Vorteil seiner interdiszinplinären Arbeitsgruppe sei, dass man sich eng über die klinischen Bedürfnisse abstimmen könne. "Dazu gehört, dass die Ingenieure auch mal in die Klinik kommen und die Patienten live erleben", fordert Hesse.

"Wir können hier als Ingenieure lernen, was zu tun ist, um aus der klassischen Steuerungstechnik, wie wir sie bei Werkzeugmaschinen und im produktionstechnischen Bereich einsetzen, überhaupt in den Medizinbereich reingehen zu können", sagt Krüger. Verbindungen zwischen Produktions- und Medizintechnik gab es am IPK bereits im Bereich der Navigationssysteme für die computerassistierte Chirurgie. Die Entwickler stellten fest, dass sich ihre Expertise sehr gut in der Medizintechnik anwenden ließ. "Das Fräsen aus der Fertigungstechnik ähnelt beispielsweise abtragenden Verfahren an Knochen", so Jörg Krüger.

Der Transfer von Industrielösungen in neue Anwendungsbereiche ist keine Einbahnstraße: "Wir können die Steuersysteme, die wir in der Produktionstechnik haben, nicht eins zu eins einsetzen, um einen Patienten zu führen", meint Krüger. So habe man mit Hilfe von Motion-Tracking-Systemen natürliche Bewegungen abgebildet. "Man benötigt eine viel flexiblere Steuerung – und die wird heute parallel auch in der Produktionstechnik gefordert."

Neue Berufsbilder?

Die Entwickler halten die interdisziplinäre Zusammenarbeit im Reha-Bereich für "extrem vielversprechend", gerade vor dem Hintergrund des demografischen Wandels in Europa. Im kommenden Januar lädt das Berliner Zentrum für innovative Gesundheitstechnologie, in dessen wissenschaftlichem Beirat auch Stefan Hesse und Jörg Krüger sitzen, zum internationalen Symposium "Technical Aids in Rehabilitation", das Experten aus Industrie, Medizin und Ingenieurwissenschaften zusammenführen soll.

Obwohl die Ankündigung der Konferenz - in der der "HapticWalker" als beispielhafte Entwicklung erwähnt wird - noch vor der Erwähnung des therapeutischen Mehrwerts behauptet, dass der "heutige Entwicklungsstand in Sensorik, Mechatronik, Informationstechnik und Robotik" es erlaube, "den bisher in einigen Rehabilitationsphasen besonders hohen personellen Aufwand deutlich zu reduzieren", verneinen sowohl Hesse als auch Krüger, dass Roboter im ähnlichen Maße wie in der Industrieproduktion auch in der Reha das menschliche Personal ablösen werden.

"Ein Roboter wird nie einen menschlichen Therapeuten ersetzen können", sagt Stefan Hesse, "aber er bietet die Möglichkeit, dass Therapeuten entlastet werden und der Patient mehr üben kann. Ich kann mir auch vorstellen, dass sich neue Berufsbilder erschließen, die den Einsatz der Technik und deren Analysemöglichkeiten beinhalten".

Der Hinweis steht dennoch sicher nicht versehentlich an prominenter Stelle. Die Aussicht auf Entlastung des Personals in den chronisch unterbesetzten Kliniken dürfte auch für Gesundheitsmanager verlockend klingen - und irgendjemand muss die Geräte ja schließlich finanzieren. (Sebastian Kauer)