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Ingenieurausbildung Rehabilitationsroboter –



Armin steht direkt an der Fensterfront des Großraumbüros. Diese robuste, silbersilberne Maschine mit ihrem langen, gelenkigen Greifarm scheint aus einer Fabrikhalle für die Fahrzeugmontage zu stammen. Es befindet sich jedoch in einem mehrgeschossigen Forschungsgebäude gegenüber dem Inselspital Bern.

"Dies ist unser Therapieroboter", sagt Laura Marchal-Crespo und streicht zur Demonstration mit dem Arm durch die Schlaufen. Vor einigen Jahren wurde Armin an der ETH Zürich von Robert Riener und Tobias Nef entwickelt, um Hand- und Armbewegungen bei Patienten mit Lähmungen nach einem Schlaganfall zu trainieren. Jetzt arbeitet der 39-jährige Professor am Competence Center der Universität Bern für Biomedizinische Technik (Artorg) daran, die Steuerung des Rehabilitationsroboters an die individuellen Bedürfnisse anzupassen.

Jedes Jahr erleiden in der Schweiz rund 1

6'000 Menschen einen Schlaganfall. Wer einen solchen Hirnanfall überlebt, muss sich häufig mit einem anhaltenden Versagen des motorischen Systems herumschlagen. Weltweit ist die Krankheit eine der häufigsten Ursachen für Lähmungen. Intensive Physiotherapie und Ergotherapie können oft viel Flexibilität zurückbringen. Trotzdem ist eine solche Behandlung in der Regel mit viel Zeit und Aufwand verbunden. Weil die Patienten unterstützt oder angeleitet werden müssen, um die Festnahme zu lernen und wieder zu gehen.

"Je länger ein Patient inaktiv ist, desto schwerer fällt es ihm, später wieder mobil zu werden", sagt Marchal-Crespo. Es ist auch wichtig, die Übungen ständig zu wiederholen, damit sich die Gehirnstrukturen selbst organisieren können. Rehabilitationsroboter sollen jedoch keineswegs konventionelle Therapien ersetzen, sondern eine sinnvolle Ergänzung darstellen.

Aus Versehen lernen

Laura Marchal-Crespo erforschte bereits die Schnittstelle zwischen der ETH Zürich und Zürich Mensch und Maschine mit Hilfe von Robotern und virtueller Realität. Sie war besonders daran interessiert, gelähmten Menschen nach einem Schlaganfall zu helfen. Vor der ETH studierte und promovierte sie an der University of California in Irvine. 2017 wurde sie zur Professorin am Schweizerischen Nationalfonds (SNF) berufen und arbeitet seitdem an der Universität Bern. Im Oktober hielt sie ihre Antrittsvorlesung an der medizinischen Fakultät .

Während des Trainings mit Armin wird der betroffene Arm des Patienten am äußeren Skelett des mobilen Roboterarms festgeschnallt und folgt den vom Roboter vorgegebenen Bewegungen. Auf diese Weise können alltägliche Situationen wie das Eingießen von Wasser in ein Glas praktisch vor dem Bildschirm eingeübt werden.

"Wir verbessern die Bewegungsfähigkeit, indem wir die Fehler verstärken", sagt der Ingenieur. Das hört sich komisch an. Wenn ein Schlaganfallpatient beispielsweise etwas ergreifen möchte, aber nicht genau, verstärkt der Rehabilitationsroboter diese Ungenauigkeit, indem er einen kleinen Widerstand erzeugt. Auf diese Weise muss der Patient härter arbeiten. Der von Marchal-Crespo entwickelte Lernalgorithmus bestimmt selbständig, welcher Patient die Aufgabe kompliziert und welcher erleichtert.


Während des Trainings entscheidet der Roboter, ob er hilft oder Widerstand leistet. Foto: Adrian Moser

Neben Armin gibt es in Berns Großraumbüro eine horizontale Laufmaschine. Marchal-Crespo kann dann einen Patienten auch während des Trainings in einem Magnetresonanztomographen untersuchen. Im Liegen bewegt er seine Beine entweder aktiv oder passiv mit einem Kniehebelroboter. Der Forscher möchte herausfinden, welche Bereiche des Gehirns durch solche spezifischen Übungen stimuliert werden und wie sich die Neuronen nach einem Schlaganfall wieder verbinden. Sie versucht derzeit, das Gefühl des Gehens so genau wie möglich zu simulieren, damit sich der Druck auf die Sohlen anfühlt.

Ursprünglich kam sie sozusagen lachend aus den Vororten nach Barcelona. Zu dieser Zeit hatte sie großes Glück, ein Stipendium für die Vereinigten Staaten zu erhalten. Weil ihre Eltern keine Akademiker waren und ihr Vater als Taxifahrer Geld verdiente. Ihre Mutter habe sie und ihre beiden Schwestern immer in jeder Hinsicht unterstützt, fügt sie hinzu. Der eine ist heute Maschinenbauingenieur in Australien, der andere Chemiker in Barcelona.

Da Marchal-Crespos ebenfalls aus der katalanischen Hauptstadt stammt, spricht er Katalanisch mit drei Kindern im Alter von drei bis sieben Jahren, während sie Spanisch mit ihnen spricht. Der Alltag mit Familie und Beruf ist eine Herausforderung, aber auch spannend und ein Privileg, denkt sie. Ihr Mann arbeitet als Ingenieur bei ABB in Zürich. Wenn die Familie dort wohnt, pendelt sie vier Tage die Woche nach Bern. "Wenn möglich, machen wir alle Outdoor-Aktivitäten am Wochenende zusammen und gehen entweder Wandern oder Radfahren."

Virtual Reality Therapy

Marchal-Crespo ist auch besonders fasziniert von den unnötigen Möglichkeiten in der virtuellen Welt. So fertigt nun eine ihrer Doktorandinnen eine VR-Brille. Wenn Sie es öffnen, befinden Sie sich in einem virtuellen Raum, in dem plötzlich ein Apfel, eine Birne oder ein anderer Apfel in der Luft hängt. Mit einer Steuereinheit müssen Sie nun einen Ball genau für diese Früchte steuern und gleichzeitig die Früchte zählen.

"Es scheint sehr einfach zu sein", sagt der Forscher. Bei Patienten nach einem Schlaganfall ist die Kombination von motorischer Aktivität und kognitiver Aufgabe jedoch schwierig. Weil sie sich auf beides konzentrieren und diese Fähigkeiten einfach wiedererlangen müssen.

Spiele auch verwenden

Marchal-Crespo hat andere Geräte in seinem Testlabor. Zum Beispiel ein spezieller Joystick, mit dem Sie mit einem kleinen Ball über verschiedene raue, glatte, weiche, hügelige oder canyonartige Oberflächen fahren und das spezielle Material an der Hand fühlen können, die Sie gerade in der virtuellen Welt berühren. "Wir versuchen, so viele Sinne wie möglich zu aktivieren, um den größtmöglichen Trainingserfolg zu erzielen", sagt sie.

Ihr Ziel ist es, Patienten zu längerer und intensiverer Bewegung zu motivieren. Das ist natürlich anstrengend und oft frustrierend, betont sie. Wenn ein Kind laufen lernt, lassen Sie es los, aber stehen Sie wieder auf, versuchen Sie es immer wieder. Aber es kommt von der inneren Triebkraft. Wer nach einem Schlaganfall wieder laufen muss, braucht viel mehr Kraft und Ausdauer.

Sie untersucht derzeit, ob sie mit speziellen Spielen die Motivation des Patienten steigern kann. "Ich möchte auch langweilige Workouts aufregend machen", sagt der Forscher.

Erstellt am: 09.11.2019, 21:04 Uhr


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