Querschnitt: HALden im Alltag

8. März 2013
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Der Roboter "HAL" könnte vielen Betroffenen die Rückkehr verloren geglaubter Beweglichkeit ermöglichen. Ein spezielles senso-motorisches System kann die patienteneigenen motorischen Impulse mit Hilfe des intelligenten Exoskeletts in Bewegung umsetzen.

Wenn es um intelligente Technik geht, läuft die menschliche Phantasie schnell auf Hochtouren. Zahlreiche Werke aus Literatur, bildender Kunst und Film ranken sich um humanoide Roboterwesen. Und fast immer stellen sich neue Fragen über das Wesen und den Wert des Lebens. So weit hergeholt so mancher Plot scheint – ethische Auseinandersetzungen werden auch in der Realität eine Herausforderung im Umgang mit neuen Technologien bleiben.

HAL© ist der Name des neuen intelligenten Exoskelett-Roboters, der querschnittsgelähmten Patienten im wahrsten Wortsinn wieder auf die Beine helfen kann. “Hybrid Assistive Limb” verbirgt sich hinter diesem Akronym. Traurige Berühmtheit erlangte eine spezielle Variante von HAL bereits durch seinen Einsatz beim atomaren Unglück in Fukushima.

Möglichkeiten und Grenzen

Bislang wurde der Roboteranzug bei Patienten mit inkomplettem Querschnitt, neurodegenerativen Erkrankungen, Poliomyelitis, Parkinson und Apoplex im Erprobungsstadium erfolgreich eingesetzt. Ein kompletter Querschnitt oder starke Spastiken sind hingegen Kontraindikationen. Und HAL ist nicht nur therapeutisch “tätig”. Auch zur Assistenz von Gesunden – zum Beispiel bei schweren repetitiven Bewegungen in der Arbeitswelt – findet der Roboteranzug Anwendung. In Japan ist er bereits zur Unterstützung von Pflegefachkräften aktiv. 300 Exemplare in 135 Einrichtungen stehen dort insgesamt für sämtliche Indikationen zur Verfügung. Rettungsarbeiten verrichtete HAL schon im Katastropheneinsatz. Für Kinder gibt es mittlerweile kleine Varianten. Aber auch in seinem Herkunftsland steht HAL bislang nicht für Privatpersonen zur Verfügung. In Deutschland wurden mit HAL bereits erwachsene Paraplegiker therapiert. Derzeit ist das nur in dem im Jahre 2012 eröffneten “Zentrum für Neurorobotales Training” am Universitätsklinikum BG Bergmannsheil der Universität Bochum möglich. Dieses Trainingszentrum ist außerhalb Japans das Erste seiner Art.

Das Zentrum für Neurorobotales Training

Der Behandlungsschwerpunkt am Zentrum für Neurorobotales Training (ZNT) wird auch weiterhin vor allem auf Paraplegien liegen. Zehn Trainingsgeräte sollen zunächst zur Verfügung stehen. Thomas Schildhauer, Professor der Ruhr Universität Bochum, Direktor der Chirurgischen Klinik und Leiter des ZNT, ist es wichtig, keine falschen Hoffnungen zu wecken. Bei einem Patienten, bei dem keinerlei Signale im Sinne einer Restmotorik mehr den Muskel erreichen, kann auch HAL die natürlichen Bewegungsabläufe nicht wieder eintrainieren. Nichtsdestotrotz betont Schildhauer die “dramatischen Verbesserungen” bei den behandelten Patienten und bestätigt in einem Interview, dass vor einigen Jahren derartige Therapieerfolge kaum vorstellbar gewesen wäre. Da der Roboter vormals nur in Asien in größerer Zahl angewendet wurde, soll HAL im ZNT an die europäischen Bedürfnisse angepasst werden. Hier werden seit letztem Herbst auch erstmalig systematische Studien durchgeführt. Das Potential des Roboters und auch Langzeitwirkungen der Therapie sollen hier erforscht werden.

Wie funktioniert HAL?

Die Gehbewegung wird willentlich durch den Patienten eingeleitet. Die funktionsfähig gebliebenen Motoneurone werden aktiviert. Daraufhin können die an der Extremitätenmuskulatur eintreffenden efferenten Signale über Myoelektroden abgegriffen werden. Da die Restmotorik ohne externe Unterstützung nicht für eine Gehbewegung ausreicht, springt nun der Roboteranzug ein. In einem kleinen, am Körper getragenen, Computer werden die elektrischen Impulse analysiert und verstärkt. Dieser sendet daraufhin die Information an die Motoren der intelligenten Orthese. Diese unterstützen jeweils ein externes Gelenk. Das Exoskelett setzt sich nun in die gewünschte Bewegung. All das passiert faszinierenderweise in Bruchteilen von Sekunden, also mit einer kaum merklichen Verzögerung. Auf diese Art und Weise steuert der bewegungseingeschränkte Patient seine Bewegung autonom und wird nicht passiv bewegt, wie es in ähnlichen Rehabilitationssettings der Fall ist. Die Beweglichkeit ist der des menschlichen Körpers weitestgehend nachempfunden. Auch komplexere Abläufe wie Treppensteigen sind möglich. Potentiometer messen die Stellung der künstlichen Gelenken und sind eine Art Analogie körpereigener propriozeptiver Rezeptoren. Mit spezieller FRF-Sensortechnik in den Schuhen wird der Bodenkontakt erfasst.

Therapieerfolge

Abgesehen von den physischen Fortschritten sind für die Trainierenden die Stärkung von Selbstwertgefühl und Integrationsprozessen von unschätzbarem Wert. HAL wird momentan nur als temporäres Trainingsgerät vor Ort in der Reha-Einrichtung genutzt. Nach einiger Zeit konnte der erste Proband in Bochum, Philippe von Gliszynski, aber tatsächlich nur noch mit Unterstützung eines Rollators eigenständig eine Gehstrecke von 150 Metern zurücklegen und dadurch auch zuhause trainieren. Der junge Architekt war im Jahr 2010 vom Dach gestürzt und hatte sich dabei ein spinales Trauma in Höhe des zwölften Brustwirbelkörpers zugezogen. Die konventionellen Therapiemaßnahmen konnten die Motorik nicht wiederherstellen. Von Gliszynski galt als austherapiert. Wie ist nun dieser plötzliche Therapieerfolg erklärbar? Eine wichtige Rolle spielt natürlich der muskuläre Trainigseffekt, aber auch das verbleibende gesunde Nervengewebe scheint durch das Training die Signalweiterleitung entscheidend zu verbessern. Prof. Dr. Thomas Schildhauer: “Wir beobachten durch das Training mit dem Anzug eine deutlich gesteigerte Mobilität der gelähmten Patienten, einen intensivierten Muskelaufbau, mehr Muskelleistung und ein höheres Aktivitätsniveau. Gehstreckenverlängerung und auch Verbesserung des Gangbildes sind die erfreulichen Folgen. Andere positive Effekte, wie zum Beispiel die Verbesserung der Extremitätendurchblutung und damit Reduktion von trophischen Störungen, können ohnehin beobachtet werden.

Es gibt andere Anbieter auf dem Markt, die auf den ersten Blick ähnliche Exoskelette anbieten. Ekso Bionics hat ein Modell entwickelt, das auch derzeit erfolgreich in der Rehabilitation erprobt wird. Doch eine bestimmte Fähigkeit macht “Hybrid Assistive Limb” im Gegensatz zu seinen Konkurrenten einzigartig. Der entscheidende Hinweis ist dem Wort “Hybrid” zu entnehmen. Der Roboteranzug kann über zweierlei Mechanismen bewegt werden. Alleinstellungsmerkmal ist der bereits geschilderte Antrieb, der sich auf die körpereigenen Signale der Patienten stützt. Dieser wird von Cyberdyne als “Voluntary Control System” bezeichnet und ist weltweit einzigartig. Sankai ist es als erstem Wissenschaftler gelungen, eine funktionelle Einheit zwischen zentralen neuromotorischen Impulsen des Menschen und den maschinellen Bewegungselementen des Roboters herzustellen. Neben diesem Reiz-Reaktionssystem verfügt HAL aber auch über ein ‘Robotic Autonomous Control System’. Damit kann das Exoskelett im vollautomatisierten Modus Bewegungen einleiten, ohne Nervenimpulse abzugreifen. Diese beiden Systeme können je nach Bedarf und Störung des Patienten ineinandergreifen. Um die Funktionsweise von Cyborg-Type Roboter HAL bis ins Detail zu begreifen, muss man aber wohl mit der Disziplin “Spezielle Kybernetik”, also auch Mechanik, Bionik, Robotik etc., bestens vertraut sein.

Vater und Sohn

Schöpfer des bio-kybernetischen Wunderwerks ist Yoshiyuki Sankai. Circa 20 Jahre hat der japanische Kybernetik-Professor an der Entwicklung des Roboteranzuges gearbeitet. Als sich der Erfolg bereits abzeichnete, gründete er 2004 schließlich seine eigene Firma Cyberdyne Inc. in Japan. Bereits mit 9 Jahren entdeckte Sankai seine Begeisterung für Robotik. Er hatte “I Robot” von Asimov gelesen und später den Anime “Cyborg 009” gesehen und wollte von nun an Roboter im Dienste des Menschen entwickeln. Dass dies kein Kindheitstraum blieb, ist nicht nur für Sankai selbst höchst erfreulich. Denn HAL ist tatsächlich ein “Good Boy” geworden. Auch wenn sein Name zunächst stutzig macht. Der künstliche Namensvetter flimmerte bereits Ende der 60er Jahre in Stanley Kubricks “2001: Odyssee im Weltraum” über die Bildschirme. Dieser versucht “unbeirrbar und allein” seine Mission zu Ende zu bringen und tötet dazu fast die gesamte Besatzung des Raumschiffs Discovery. Schließlich kann HAL vom letzten Überlebenden deaktiviert werden. Mittlerweile hat er sowohl eigenständiges Bewusstsein als auch Emotionen entwickelt und “stirbt” in fast menschlicher Agonie.

Viele Fadenzieher ermöglichen gelungene Kooperation

Aller Voraussicht nach wird Sankais Roboteranzug und seinen Nutznießern das dramatische Schicksal des Namensgebers erspart bleiben. Vielmehr bestätigen sich, wie bereits geschildert, die ersten Erfolge am Patienten auch im “Zentrum für Neurorobotales Training”. Doch selbstverständlich ist der europäische Einsatz von HAL nicht. Erst eine Zusammenarbeit verschiedener Akteure machte den Import des Roboters möglich. Die Landeswirtschaftsförderung NRW.INVEST, die Stadt Bochum als Gesundheitsstandort medlands.RUHR, das Universitätsklinikums BG Bergmannsheil, die contec GmbH und die Japanische Industrie- und Handelskammer zu Düsseldorf e.V. – sie alle kooperierten miteinander, um die neue Technologie nach Deutschland zu bringen. Seit 2011 existiert die deutsche Niederlassung von CYBERDYNE Inc. im BioMedizinZentrum in Bochum.

Sankai ist erklärter Gegner davon, seine Entwicklung destruktiven, beziehungsweise militärischen Zwecken zur Verfügung zu stellen. Offenbar hatte das Verteidigungsministerium in Washington D.C. bereits um die Hilfe des Robotik-Professors gebeten und auch Südkorea war an einem militärischen Alter Ego von HAL interessiert. Sankai lehnte derlei Zusammenarbeit jedoch ab. Dennoch betritt HAL auch Schauplätze der Zerstörung. Eine überarbeitete Variante soll Einsatzkräften bei Aufräumarbeiten in Fukushima zur Seite stehen. Strahlenschutz in Form einer Wolfram-Weste und ein kühlendes Belüftungssystem wurden ergänzt. Dies führt zu einem erheblichen Mehrgewicht des Anzuges von 60 kg. Daher benötigen auch die gesunden Arbeiter die motorische Unterstützung von HAL’s Voluntary-Control-System.

Durch einen zusätzlichen Sensor können permanent die Vitalfunktionen des Arbeiters erfasst und übermittelt werden. Auch wenn diese Form von technischem Support bei Katastropheneinsätzen natürlich wertvoll ist – wünschenswert ist, dass HAL’s Unterstützung im medizinischen bzw. arbeitsphysiologischen Bereich auch zukünftig überwiegen kann.

43 Wertungen (4.93 ø)

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1 Kommentar:

Olaf Hoeppener
Olaf Hoeppener

Wird wohl leider zu teuer sein, diese Technik generell in der Reha einzubeziehen…

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