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Interaktives Biofeedback für robotergestützten Gangtrainer

BSc. BFH in Mechanical Engineering, Matthias Schindelholz, Noser Engineering AG

"Das IBF ermöglicht es den Patienten, die Geschwindigkeit auf dem LYRA durch den eigenen Einsatz selbst zu steuern . Sie sind somit aktiv involviert und erfahren direktes Feedback. Schnellere und effizientere Gangrehabilitation und reduzierte Gesundheitskosten sind mögliche Folgen dieser Erfindung."

- BSc. BFH in Mechanical Engineering, Matthias Schindelholz, Noser Engineering AG

Die Aufgabe:

Bei neurologischen Patienten müssen sich das Herzkreislaufsystem erholen und verlorene Fähigkeiten wie z. B. Gehen wieder erlernt werden. LYRA® ist ein Gangtrainer, welcher Betroffene bei diesen schweren Aufgaben unterstützt. Bis anhin wurde die Geschwindigkeit manuell durch den Therapeuten gesteuert. Es soll eine interaktive Regelung entwickelt werden, mit welcher der Patient die Geschwindigkeit selbst bestimmen kann.

Die Lösung:

Eine neue Funktion wurde entwickelt, welche das Drehmoment der Antriebe analysiert. Dieses wird durch variierendes Verhalten des Patienten auf dem Gangtrainger beeinflusst. Es wird zwischen passivem, neutralem und aktivem Gang unterschieden und die Kadenz dementsprechend verringert, beibehalten oder erhöht. Eine Kalibrierroutine erlernt die Fähigkeiten des Patienten und setzt die Sensitivität automatisch.

Autor(en):

Eingesetzte Produkte: LabVIEW, CompactRIO, Real-Time, FPGA, SoftMotion

 

Einführung

Nerologisch geschädigte Patienten, wie z. B. bei Schlaganfall oder Querschnittlähmung, leiden unter diversen gesundheitlichen Folgen nach der Erstversorgung. Zwei schwerwiegende Probleme sind die Einschränkung oder sogar der Verlust der Gangfähigkeit und die massive Reduktion der kardiovaskulären Fitness schon nach wenigen Tagen der Inaktivität. Neurologische Schäden im Gehirn oder dem Rückenmark führen zu reduzierter Kontrollierbarkeit der Muskeln und daher zu einer eingeschränkten Fähigkeit, das Herzkreislaufsystem aktiv zu halten. Die Kernfrage dabei ist: Welche Art von Gangtherapie ist die effektivste, wenn die Muskelkontrolle derart eingeschränkt ist? Eine sicherlich geeignete Lösung ist der Gangtrainer (GT) LYRA®. In modernen Rehabilitationszentren werden robotisch unterstützende GTs wie der LYRA® bereits heute dazu eingesetzt, Patienten zu rehabilitieren und zu trainieren. Dabei werden diese an den Füssen an Endeffektor-Platten fixiert und das Körpergewicht durch eine Körpergewichtsentlastung kompensiert. Der GT simuliert dabei das Gangmuster vom Gehen auf der Ebene. Dies ermöglicht effizientes Wiedererlernen der Gangfähigkeit und Wiedergewinnen der kardiovaskulären Fitness.

 

Ausgangslage und Ziel

Bisher wurde der GT manuell vom Therapeuten gesteuert. Dies beinhaltet unter anderem das Einstellen von Schrittweite, Gewichtsentlastung, Geschwindigkeit und Dauer des Trainings. Der Therapeut gab also bis anhin die Trainingsintensität und Bedingungen für den Patienten vor. Die Grundidee des Projekts war es, eine Interaktivität zwischen GT und dem Patienten herzustellen. Die neue Funktion wird „Interaktives Biofeedback“ (IBF) genannt und erlaubt es dem Patienten, die Ganggeschwindigkeit und dadurch die Trainingsintensität durch die eigene Aktivität auf dem GT interaktiv zu steuern. Dies kann den Prozess des Wiedererlernens der Gangfähigkeit beschleunigen und die Gesundheit des Herzkreislaufsystems verbessern, da selbstbestimmte Aktivität des Patienten in Rehabilitationsprozessen entscheidend ist. Die Möglichkeit, durch das freiwillige Mitarbeiten und Anstrengen beim Training die Geschwindigkeit zu steuern, motiviert Patienten enorm. Wenn man bedenkt, dass sich solche Patienten nicht mehr unabhängig fortbewegen können, ist dies eine intensive und höchst motivierende Erfahrung für sie. Die Trainingsintensität wird somit also automatisch an den Patienten angepasst und zwar entsprechend dessen verbleibenden Fähigkeiten und Motivation. Der Therapeut kann aber den GT weiterhin manuell steuern und die Funktion in Echtzeit ein- und ausschalten sowie den Patienten anleiten, motivieren und dessen Vitalwerte überwachen.

 

Die Idee für das interaktive Biofeedback kam vom Innovationsteam von ABILITY Switzerland. Ein Prototyp wurde dann in Zusammenarbeit mit den NI-Ingenieuren von Noser Engineering AG entwickelt und in die bestehende Software des GT integriert, um die Funktionalität des Konzepts aufzuzeigen. Die ABILITY Switzerland AG realisierte anschliessend eine finale Version, welche die medizinische Richtlinie IEC-62304 erfüllt. Der LabVIEW-Code basiert auf einer Real-Time/FPGA-Architektur und CompactRIO-Technologie in Verbindung mit SoftMotion.


Methoden und Realisierung 

Eine wichtige Anforderung an das IBF war, keine zusätzlichen Sensoren einzusetzen, damit eine medizinische Rezertifizierung des Gesamtsystems nicht notwendig wird. Und wie wir alle wissen, ist das Zertifizieren von medizinischen Geräten nicht der schnellste, günstigste und einfachste Prozess der Welt.

 

Die Grundfunktionalität des IBF, basierend auf der Idee von ABILITY, besteht darin, den momentanen Aktivitätslevel des Patienten zu überwachen, indem die Änderungen der Drehmomente der linken und rechten Antriebe des GT gemessen werden. Noser entwickelte einen Algorithmus, welcher die Drehmomentsignale misst, analysiert und dann die Ganggeschwindigkeit steuert, indem neue Geschwindigkeitsbefehle an die Motoren gesendet werden. Erste Tests zeigten schnell, dass nur ein bestimmter Bereich im Gangmuster sensitiv genug ist, um Drehmomentunterschiede bei veränderter Aktivität festzustellen. Der Algorithmus kann nun zwischen aktivem, normalem und passivem Gehen auf dem LYRA GT® unterscheiden. Dementsprechend wird dann die Geschwindigkeit erhöht, gesenkt oder beibehalten. Die Geschwindigkeit wird erst nach jedem Schrittpaar geändert, damit der Patient genug Reaktionszeit hat, um sich daran anzupassen. Das Geschwindigkeitsdelta ist dabei immer ein konstanter Wert oder 0. Für den Patienten ist es wichtig, dass das Delta nicht zu gross oder zu klein ausfällt. Zum einen soll er den Geschwindigkeitsunterschied bemerken, damit er ein direktes Feedback erhält, und zum anderen sollte er sich jederzeit sicher fühlen.

 

Wenn der Patient auf dem GT ohne spezielle Anstrengung geht (normales Gehen), erkennt der Algorithmus, dass sich das Drehmoment zwischen einer oberen und unteren Schwelle befindet. Die Geschwindigkeit wird nicht geändert. Passives Verhalten führt zu erhöhtem Drehmoment, da das Gerät mehr Arbeit übernehmen muss, um das Gangmuster aufrecht zu halten. Das Drehmoment überschreitet die obere Schwelle, die Geschwindigkeit wird verringert. Explizit aktives Gehen führt zum Unterschreiten der Schwelle und führt dadurch zu einer Erhöhung der Geschwindigkeit. Das IFB ist somit selbstregulierend. Der Patient gelangt an sein persönliches Geschwindigkeitslimit und kann die Anstrengung aufgrund der Limitierung der Koordinationsfähigkeit nicht mehr steigern. Es ist für ihn höchst motivierend, durch den eigenen Einsatz eine höhere Geschwindigkeit zu erreichen. Zur Gewährleistung der Patientensicherheit wurde ein oberes und unteres Geschwindigkeitslimit definiert.

 

 

Es war suboptimal, die Drehmomentschwellen (Sensitivität) als feste Werte zu definieren, da LYRA® von vielen unterschiedlich betroffenen Patienten benutzt wird. Damit die Sensitivität für jeden Patienten optimal eingestellt werden kann, wurde eine automatische Kalibrierungsroutine entwickelt. Dabei instruiert der Therapeut den Patienten, auf dem GT möglichst neutral zu gehen. Das IBF misst dabei den Drehmomentverlauf für kurze Zeit und definiert danach die patientenspezifischen Schwellen des Drehmoments automatisch, welche dann im nachfolgenden Training verwendet werden. So wird der Zustand des Patienten sowie auch dessen Tagesform berücksichtigt und das IBF optimal eingestellt, was auch dem Therapeuten das Leben erleichtert.

 

Zusammenfassung

Das IBF ermöglicht es den Patienten, die Geschwindigkeit auf dem LYRA durch den eigenen Einsatz selbst zu steuern.Sie sind somit aktiv involviert und erfahren direktes Feedback. Schnellere und effizientere Gangrehabilitation und reduzierte Gesundheitskosten sind mögliche Folgen dieser Erfindung.

 

Informationen zum Autor:

BSc. BFH in Mechanical Engineering, Matthias Schindelholz
Noser Engineering AG
National Instruments, Platz 4
Root D4, 6039
Switzerland
Tel: +41 41 455 66 06
matthias.schindelholz@noser.com

Bild 2: Physiologisches Gangmuster (tranparent) von Winter et al verglichen mit dem LYRA Gangmuster (fett). Die grosse Kurve ist der Positionsverlauf der Ferse. Die kleine Kurve zeigt den Mittelfuss.
Bild 1: LYRA® Gangtrainer