Wien (OTS) – Forschende der Medizinischen Universität Wien haben
gemeinsam mit der
ETH Zürich, der Technischen Universität München und der Medizinischen
Fakultät Belgrad ein tragbares neurorobotisches System entwickelt,
das elektrische Neurostimulation mit Hand-Exoskeletten kombiniert. In
einer klinischen Studie mit 14 Patient:innen mit
Handbeeinträchtigungen infolge neurologischer Verletzungen
unterstützte die Technologie Fingerbeweglichkeit, Tastwahrnehmung und
Greifkontrolle. Die Ergebnisse zeigen das Potenzial personalisierter
Assistenzsysteme für Menschen mit den Folgen einer Rückenmarks- oder
Hirnverletzung. Die Studie wurde aktuell im Journal Science Advances
veröffentlicht.
Handbewegungen und Tastsinn sind zentrale Voraussetzungen für
alltägliche Tätigkeiten wie Greifen, Essen, Anziehen oder
Körperpflege. Nach Schädigungen des zentralen Nervensystems bleiben
motorische und sensorische Einschränkungen der Hand jedoch häufig
bestehen. Konventionelle Rehabilitation kann Verbesserungen erzielen,
führt aber nicht immer zu einer ausreichenden Wiederherstellung der
Handfunktion. Deshalb besteht ein hoher Bedarf an alltagstauglichen
assistiven Technologien.
Ein Forschungsteam um Studienleiter Stanisa Raspopovic vom
Zentrum für Medizinische Physik und Biomedizinische Technik der
MedUni Wien entwickelte das System „SensoExo“ zur Unterstützung von
Menschen mit sensomotorischen Handbeeinträchtigungen. Es kombiniert
ein tragbares Hand-Exoskelett mit einer individuell angepassten
Neurostimulationsmanschette. Diese stimuliert über die Haut gezielt
Nerven und Muskeln im Unterarm. Sensoren an den Fingern erfassen
Berührungen und Greifkräfte und übersetzen diese Informationen in
elektrische Stimulation, die Nutzer:innen taktile Rückmeldung
vermitteln kann. Zusätzlich kann funktionelle elektrische Stimulation
dabei helfen, die Finger leichter zu öffnen und zu schließen.
„Unser Ziel war es, nicht nur Bewegung mechanisch zu
unterstützen, sondern auch den Tastsinn wiederherzustellen“, sagt
Stanisa Raspopovic. „Gerade beim Greifen ist das Zusammenspiel von
Kraft, Bewegung und Tastsinn entscheidend. Ohne Rückmeldung darüber,
wie stark ein Objekt gehalten wird, bleibt die Handfunktion im Alltag
deutlich eingeschränkt.“
Zwtl.: Individuelle Unterstützung je nach Einschränkung
Das System wurde an 14 Patient:innen mit neurologischen
Handbeeinträchtigungen getestet. Alle Studienteilnehmer:innen wiesen
sensorische Defizite auf und erhielten daher taktile Rückmeldung über
transkutane elektrische Nervenstimulation. Bei sieben Personen mit
besonders ausgeprägter motorischer Einschränkung wurde zusätzlich
funktionelle elektrische Muskelstimulation eingesetzt, um Handöffnung
und Griffkraft zu unterstützen.
Die Studie verglich drei Bedingungen: keine Unterstützung,
Unterstützung durch ein Exoskelett allein und die kombinierte
Anwendung aus Exoskelett und Neurostimulation. Acht der 14
Teilnehmer:innen absolvierten zusätzlich funktionelle Greif- und
Loslassaufgaben mit sperrigen sowie fragilen Objekten.
Diese Untersuchung zeigte, dass die Kombination aus Exoskelett
und Neurostimulation gegenüber einem Exoskelett allein zusätzliche
Vorteile bot. Bei Patient:innen mit schwerer motorischer
Einschränkung verbesserte SensoExo die Fingerbeweglichkeit in
größerem Ausmaß als das Exoskelett allein. Auch die künstlich
vermittelte taktile Rückmeldung erweiterte jene Handbereiche, in
denen Berührungsempfindungen wahrgenommen werden konnten.
„Die Ergebnisse zeigen, dass motorische Assistenz und sensorische
Rückmeldung zusammen gedacht werden müssen“, erklärt Erstautor Andrea
Cimolato vom Zentrum für Medizinische Physik und Biomedizinische
Technik der MedUni Wien. „Das System kann je nach
Einschränkungsprofil angepasst werden. Personen mit stärkerer
motorischer Einschränkung profitierten vor allem von zusätzlicher
motorischer Unterstützung, während Personen mit ausgeprägtem
Sensibilitätsverlust die sensorische Rückmeldung nutzten, um fragile
Objekte präziser zu greifen.“
Zwtl.: Greifen von Alltagsobjekten verbessert
In den funktionellen Tests erreichten die Teilnehmenden mit
SensoExo die höchsten Erfolgsraten beim Greifen und Transportieren
von Objekten. Bei sperrigen Objekten unterstützte die
Muskelstimulation die Griffkraft. Bei fragilen Objekten half die
sensorische Rückmeldung, zu starken Druck zu vermeiden.
„Die Technologie ist derzeit noch ein Prototyp und kein
vollständig entwickeltes Medizinprodukt für den Alltag“, betont
Raspopovic. „Die Studie liefert aber frühe klinische Evidenz dafür,
dass nicht-invasive Neurostimulation in Kombination mit tragbarer
Robotik eine realistische Grundlage für künftige personalisierte
Assistenzsysteme sein kann.“
An der Studie waren neben der MedUni Wien Forschungsteams um
Lorenzo Masia an der Technischen Universität München und Olivier
Lambercy an der ETH Zürich beteiligt, die die Exoskelette
entwickelten. Das Team um Ljubica Kostadinovic an der Medizinischen
Fakultät Belgrad unterstützte die klinischen Untersuchungen. Künftige
Untersuchungen mit größeren Patient:innengruppen, die spezifischer
nach Art und Schweregrad ihrer Symptome gruppiert werden, sollen
helfen, die Robustheit dieser Effekte zu bestimmen und zu beurteilen,
in welchem Ausmaß solche Systeme langfristig in Rehabilitation und
Alltag integriert werden können.
Publikation: Science Advances
Combining neural stimulation and exoskeletons to improve sensorimotor
hand function following brain or spinal cord injury
Andrea Cimolato, Dunja Cekić, Natalija Katić Šećerović, Margerita
Razzoli, Francesco Missiroli, Jan Dittli, Pietro Palopoli, Sara
Bellomo, Julia Kenel, Suzana Dedijer Dujović, Sebastian Frese,
Lorenzo Masia, Olivera Djordjevic, Olivier Lambercy, Giacomo Valle,
Ljubica Konstantinovic, Stanisa Raspopovic
10.1126/sciadv.ady3144
