Robotisch unterstützte Rehabilitation der Funktion der menschlichen Hand unter Verwendung eines dynamischen Modells beim komplexen regionalen Schmerzsyndrom (CRPS)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Zu den wichtigsten wissenschaftlichen Fortschritten des Projektes zählt die erfolgreiche Entwicklung eines biomechanischen Prüfstandes der komplexe realitätsnahe Muskelsimulationen an humanen Handpräparaten mittels echtzeitfähig-synchronisierter Positions- und Kraftregelung ermöglicht. Auf dieser Basis konnten nun neuartige detaillierte Daten erhoben werden, die von essentieller Bedeutung für verbesserte dynamische Modellbildungen der menschlichen Hand sind und dabei für Optimierungen sowohl von medizinischen als auch zukünftigen robotischen Anwendungen eingesetzt werden können. In diesem Zusammenhang konnte schließlich auch das zweite Hauptziel erfolgreich umgesetzt werden und ein kraftgeregeltes und adaptives Exoskelettsystem für die robotergestützte Handrehabilitation von Patienten mit CRPS-Syndrom entwickelt werden. Dabei wurden wichtige Elemente wie eine generalisierte Modellbildung der Exoskelett-Finger Kopplung und differentieller Optimierung implementiert. Um zukünftig den oft sehr langwierigen, über mehrere Monate dauernden Rehabilitationsprozess für die CRPS-Patienten attraktiver zu machen, konnten außerdem im Rahmen des Projektes neue interaktive, App-basierte, virtuelle „Computerspiele“ i.S. des „serious gaming“ zur Motivation und Steigerung des Therapieerfolgs mit gezielter Integration der Exoskelettfunktionen bzw. eines kontaktlosen Leap Motion Controllers entwickelt werden. Teil des Projektes war schließlich – nach entsprechendem Ethikvotum - die Umsetzung einer Machbarkeitsstudie an Probanden und Patienten zur Anwendung des prototypischen Exoskelettsystems exemplarisch für den Zeigefinger. Durch diese klinische Anwendungsstudie an 3 freiwilligen Probanden und 2 Patienten konnte gezeigt werden, dass das Konzept sowohl die wissenschaftlichen als auch die patientenspezifischen Anforderungen erfüllt. Die technische Anwendung des Exoskeletts und der begleitenden Messungen an den CRPS Patienten konnten sicher durchgeführt werden. Dabei kamen - nach unserem Kenntnisstand - erstmalig klinisch sehr wichtige neuartige Messfunktionen durch das Exoskelett - wie die gleichzeitige Aufzeichnung und Berechnung des Bewegungsausmaßes und der Gelenkwiderstandsmomente i.S. der Steifigkeit der Fingergelenke mittels eines spezifischen quasistatisches und dynamischen Modells zum Einsatz. Gerade diese Funktion der longitudinalen, objektiven Datenerfassung des Therapieverlaufes war bisher nicht möglich und kann zukünftig erheblich mithelfen die Therapiekonzepte krankheitsspezifisch zu optimieren mit potenziell kürzeren Rehaphasen und besseren Therapieergebnissen für CRPS Patienten und andere Handerkrankungen. In Hinblick auf den relevanten Forschungsstand ist festzuhalten, dass – nach unserem Kenntnisstand – bisher kein Exoskelettsystem spezifisch für die Anwendung bei regelhaft sehr schmerzgeplagten CRPS-Patienten entwickelt bzw. angewendet wurde. Dementsprechend herausfordernd – technisch wie medizinisch – war das Projekt. So mussten die ursprünglich im Antrag geplanten, technisch vergleichsweise einfachen Exoskelettkonzepte nach erster prototypischer Umsetzung wieder verworfen bzw. modifiziert werden bis die nun einsetzbaren Lösungsansätze erarbeitet waren. Außerdem stellte die Corona-Pandemie eine ganz besondere Herausforderung dar, die sowohl technisch – z.B. wegen erheblichen Lieferschwierigkeiten – als auch medizinisch wegen Erkrankungen bzw. verspäteten Studienstarts etc. immer wieder im Projektverlauf erhebliche Verzögerungen verursacht hat, die oft nur mit deutlichem Mehraufwand kompensiert werden konnten. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass im Rahmen des Projektes technische Lösungsansätze für ein mobil einsetzbares Exoskelettsystem für eine (1) patientenspezifische roboter-unterstützte Bewegungstherapie mit gleichzeitiger (2) objektiver, longitudinaler Datenerfassung des Therapieverlaufes wie Gelenkbewegungsumfänge inkl. -steifigkeiten erfolgreich entwickelt werden konnten. Als nächster Schritt ist nun eine Testung an einem größeren Patientenkollektiv geplant nach entsprechender Erweiterung und Systemintegration der verschiedenen Exoskelettelemente.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Evaluation of joint type modelling in the human hand. J Biomech. 2016 Sep 6;49(13):3097-3100
Gustus A, van der Smagt P
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2016.07.018) - CNN-based segmentation of medical imaging data. Computer Vision and Pattern Recognition. 2017 Jul: 1-24
Kayalibay B, Jensen G, van der Smagt P
(Siehe online unter https://doi.org/10.48550/arXiv.1701.03056) - Key Insights into Hand Biomechanics: Human Grip Stiffness Can Be Decoupled from Force by Cocontraction and Predicted from Electromyography. Front Neurorobot. 2017 May 22;11:17
Höppner H, Große-Dunker M, Stillfried G, Bayer J, van der Smagt P
(Siehe online unter https://doi.org/10.3389/fnbot.2017.00017) - An Adaptive Mechatronic Exoskeleton for Force-Controlled Finger Rehabilitation. Front Robot AI. 2021 Sep 30;8:716451
Dickmann T, Wilhelm NJ, Glowalla C, Haddadin S, van der Smagt P, Burgkart R
(Siehe online unter https://doi.org/10.3389/frobt.2021.716451)
