Exoskelett: Perspektiven für die Medizin und die Industrie

Exoskelett

Perspektiven fürs Exoskelett in der Medizin und in der Industrie

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Seit dem Sommer steht das erste Exoskelett im Hilfsmittelverzeichnis des GKV-Spitzenverbands. Gleichzeitig halten tragbare Roboter Einzug in Fertigung und Industrie. Zeit daher für einen Überblick zu den Entwicklungen und Herausforderungen in diesem Bereich.

Sabine Koll
Journalistin in Böblingen

Inhaltsverzeichnis

1. Die intelligenten Roboteranzüge sind beliebt
2. Vier Exoskelette haben die Zulassung der FDA
3. Ohne Gehhilfen wie Krücken geht es nicht
4. Software elementar für die Regelungstechnik
5. KI könnte Komplikationen früh anzeigen
6. Ottobock sammelt Erfahrung im industriellen Umfeld
7. Exoskelette sind heute oft überdesignt
8. Dynamisches Gehen ist noch nicht möglich
9. Weitere Informationen
10. Vorreiter Hardiman
11. Cybathlon in Zürich geht in die zweite Runde

 

„Lauf Forrest, lauf! Vergiss deine Schienen und lauf!“ Mit diesen Worten veränderte sich das Leben von Forrest Gump im gleichnamigen Film auf einen Schlag. Forrest Gump hatte eine Gehbehinderung, doch fallen ihm im Film die Beinschienen ab, sodass er sich zum Profisportler, Kriegshelden und schließlich zum Unternehmer entwickeln kann. Der Film, in dem Schauspieler Tom Hanks ziemlich klobige Orthesen trug, war ein Riesenkinoerfolg und gewann 1994 sechs Oscars und drei Golden Globes.

Heute sehen Orthesen deutlich eleganter aus. Dank carbonfaserverstärktem Kunststoff sind sie absolute Leichtgewichte, die Menschen mit körperlichen Beeinträchtigungen im echten Leben unterstützen. Ob Querschnittlähmung, Gehbehinderung nach einem Schlaganfall, Amputation, Muskelerkrankung oder schlichtweg altersbedingte Muskelschwäche – es gibt viele Gründe, weshalb Menschen in ihrer Beweglichkeit stark eingeschränkt sein können. Orthesen und Rollstühle gehören hier zu den Hilfsmitteln, mit denen die Bewegungsfähigkeit wieder erlangt werden kann.

Die intelligenten Roboteranzüge sind beliebt

Seit einigen Jahren ist eine weitere Klasse von Hilfsmitteln in der Entwicklung: Exoskelette, also im Grunde anziehbare Außenskelette, die dank Robotertechnologie – Sensorik, Aktorik und Software – einzelne Körpersegmente wie Beine, Rumpf und Arme oder auch den ganzen Körper bei bestimmten Haltungen und Bewegungen unterstützen. Solche „intelligenten Roboteranzüge“, auch aktive Exoskelette genannt, sind zunehmend beliebt beim Militär und in der Industrie. Doch mittlerweile halten Sie auch im medizinischen Umfeld Einzug.

Mit dem Personal 6.0 des israelischen Herstellers Rewalk Robotics ist im Juni 2018 in Deutschland das erste Exoskelett in das Hilfsmittelverzeichnis des GKV-Spitzenverbands aufgenommen worden. Das heißt, bei einer Querschnittlähmung mit Paraplegie, also einer beidseitigen Lähmung der Hüft-, Oberschenkel- und Unterschenkelmuskulatur, verbunden mit einem Verlust der Gehfähigkeit, können Versicherte nun die Kostenübernahme für das Exoskelett von Rewalk bei den gesetzlichen Krankenkassen beantragen.

Vier Exoskelette haben die Zulassung der FDA

In den USA haben schon mehrere Exoskelette die Zulassung der FDA – der Behörde, welche die Zulassung von Medizinprodukten regelt – erhalten: Auch hier war das Rewalk-System das erste, und zwar 2014. Im Frühjahr folgten Indego von Parker Hannifin und Ekso GT von Ekso Bionics; beides sind Unternehmen mit Hauptsitz in den USA. Und seit Anfang dieses Jahres gehört HAL des japanischen Anbieters Cyberdyne in die Reihe der zugelassenen Exoskelette. Damit sind Exoskelette in der Medizintechnik dem Forschungsstadium entwachsen. „Der Markt bewegt sich sehr schnell, die Investmentgemeinde glaubt daran“, sagt Mela Ikanovic, Vice President Sales & Market Access Europe bei Rewalk.

Alle vier Produkte mit FDA-Zulassung richten sich an Patienten mit kompletter oder inkompletter Querschnittlähmung. Die Exoskelette nehmen über Sensoren minimale Bewegungsimpulse auf. Sie interpretieren diese über eine Steuereinheit und leisten mit Hilfe von Motoren an den Gelenken die nötige Kraftunterstützung, die zum Ausführen der Bewegungsidee des Patienten erforderlich ist. Dadurch können querschnittgelähmte Patienten ihr autonomes Gehvermögen trainieren und verbessern.

„Das Nervensystem merkt, es passiert etwas“, erklärt Dr. Markus Wirz, Professor für Physiotherapieforschung sowie Leiter Forschung und Entwicklung am Institut für Physiotherapie der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften ZHAW. „Das ist letztlich notwendig, damit beim Patienten wieder ein Muskelaufbau und Koordination stattfindet.“

Ohne Gehhilfen wie Krücken geht es nicht

Bei den Exoskeletten von Rewalk, Parker Hannifin, Ekso Bionics und Cyberdyne handelt es sich durchgängig um so genannte starre Exoskelette, da ihre Gelenke wie Robotergelenke starr sind. „Rigide Materialien, die Körpersegmente bestmöglich stützen, sind Voraussetzung bei Patienten mit Querschnittlähmungen“, sagt Wirz. „Außerdem haben sie gemeinsam, dass sie bei einer Anwendung im persönlichen Umfeld dieser Patienten nicht ohne zusätzliche Hilfsmittel funktionieren. Das heißt, Querschnittgelähmte können auch mit einem Exoskelett nicht selbständig laufen, sondern benötigen Gehhilfen wie Unterarmstützkrücken oder eine zweite Person, die hinter ihnen läuft, damit sie nicht umfallen.“

Alternativ dazu gibt es Exoskelette, die stationär in Rehabilitationseinrichtungen genutzt werden. Der Schweizer Hersteller Hocoma gehört mit Exoskeletten wie dem Lokomat für die robotische Gangtherapie auf dem Laufband oder dem Armeo für die Therapie der Arme zu den Pionieren in diesem Bereich. Auch HAL von Cyberdyne wird in der Reha eingesetzt.

„Die Weiterentwicklung vieler verschiedener Komponenten hat in den vergangenen Jahren dazu beigetragen, dass robotische Exoskelette heute marktreif sind, einen echten Nutzen haben und im Alltag genutzt werden können“, sagt Dr. Peter Heiligensetzer, Gründer und CTO von German Bionic. Der Augsburger Exoskelett-Hersteller konzentriert sich derzeit auf Exoskelette für die Industrie, schließt aber laut Heiligensetzer nicht aus, künftig auch im Medizintechnikbereich tätig werde zu wollen. „Zu den mechanischen Komponenten gehören immer kleiner werdende Elektromotoren, welche in der Regel aus der traditionellen Robotik stammen, und die Batterietechnik, die ebenfalls immer leistungsfähiger und leichter wird – ebenfalls getrieben durch die Robotik“, so Heiligensetzer. Der Leichtbau ist für ihn ein zentrales Element für die Akzeptanz der tragbaren Roboter durch den Nutzer; neben Motoren und Stromversorgung werde der Einsatz von Faserverbundwerkstoffen für die Trägerstruktur hier immer wichtiger.

Software elementar für die Regelungstechnik

Daneben sei die Software wesentlich, um die menschliche Intelligenz überhaupt mit maschineller Kraft kombinieren zu können: Zum einen ist dies die Basis-Software für die Regelungstechnik auf Mikrocontrollern, die dafür sorgt, dass die Daten von Sensoren, die zum Beispiel Druck und Bewegungen messen, ohne Verzögerungen in Echtzeit an eine Kontrolleinheit übermittelt werden.

„Zum anderen ermöglicht es Software auf einer höheren Ebene, Daten der Exoskelett-Sensoren in die Cloud zu transferieren und sie dort auszuwerten und zu analysieren – um etwa eine vorbeugende Wartung von Komponenten zu ermöglichen“, sagt der Geschäftsführer von German Bionic. „Im medizinischen Umfeld wäre es technisch auch möglich, diese Daten mit weiteren Vitalparametern des Patienten wie dem Pulsschlag zusammenzuführen.“

KI könnte Komplikationen früh anzeigen

„Künstliche Intelligenz könnte künftig dazu beitragen, das Gehverhalten eines Patienten zu tracken und im Sinne von Predictive Maintanance sich abzeichnende Komplikationen frühzeitig zu erkennen“, bestätigt auch Professor Wirz von der ZHAW. „Wenn ein Patient mit einem Exoskelett zum Beispiel Diabetes hat, könnte man anhand von Sensoren seinen Glukosespiegel überwachen – und damit eventuell seinen Sturz verhindern, der mit einem Exoskelett schwerwiegende Folgen haben kann.“

Künstliche Intelligenz kam auch in dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Forschungsprojekt Recupera Reha zum Einsatz, bei dem bis Ende 2017 der Prototyp eines Ganzkörper-Exoskeletts für Schlaganfallpatienten unter der Leitung des Deutschen Forschungszentrums für Künstliche Intelligenz (DFKI) entwickelt wurde. Die mechatronischen Ansätze kombinierten die Forscher aus Bremen mit einem neuen System zur Online-Auswertung von Elektroenzephalografie- und Elektromyografie-Signalen (EEG-/EMG-Signalen), wodurch eine Einschätzung des Zustands des Patienten sowie eine mehrstufige Unterstützung der Regelung möglich ist.

Doch dies sind aktuell nicht die einzigen Forschungsschwerpunkte für Exoskelette. „Weltweit ist dies ein heißes Forschungsgebiet, für das es viele Fördergelder gibt. Ich schätze, dass es weltweit zwischen 100 und 150 Forschungsgruppen im Bereich Beinexoskelette gibt. Viele davon befassen sich mit medizinischen Anwendungen“, sagt Roland Auberger, der bei Ottobock im Bereich Global Research tätig ist. Er war an der Entwicklung der computergesteuerten Beinorthese C-Brace beteiligt, deren zweite Generation im Mai dieses Jahres auf den Markt gekommen ist. „Bei C-Brace handelt es sich im Grunde um ein Exoskelett. Wir nennen es allerdings nicht so, weil unsere Kunden, die Orthopädietechniker, mit diesem Begriff oft wenig anfangen können. Teilweise werden auch falsche Vorstellungen damit verknüpft“, so Auberger. „Mit C-Brace tasten wir uns langsam an das Thema medizinische Exoskelette für die Unterstützung im Alltag heran.“

Ottobock sammelt Erfahrung im industriellen Umfeld

Dabei sammelt der Medizintechnikhersteller mit Hauptsitz in Duderstadt derzeit auch Erfahrungen mit Exoskeletten im industriellen Umfeld: Am 1. Oktober ist ein passives Exoskelett – heißt: ohne Einsatz von Antrieben und nur dort unterstützend, wo Kraft gebraucht wird – mit dem Namen Paexo in Serienfertigung gegangen. Es soll Menschen in der Produktion, in der Logistik oder auch im Handwerk bei Überkopf- und Überschulterarbeiten entlasten. „Industrielle Exoskelette profitieren vom Know-how aus dem medizinischen Bereich. Das industrielle Anwendungsfeld gibt neue Perspektiven für viele Herausforderungen, die bis heute in der Anwendung von Exoskeletten bestehen. Es ist daher zu erwarten, dass sich daraus auch Synergien für medizinische Exoskelette ergeben werden“, sagt Jonas Bornmann, der als Forschungsingenieur bei Ottobock an der Entwicklung von Paexo beteiligt war. „Die Gesamtkomplexität von Paexo ist aber nicht mit der von Exoskeletten etwa für Patienten mit Querschnittslähmung vergleichbar.“ Ottobock ist in diesen Markt für industriell genutzte Exoskelette eingetreten, weil er deutlich größer ist als der für medizinische.

Doch es gibt noch weitere Unterschiede: „Im industriellen Bereich hat man es mit anatomisch gesunden Menschen zu tun, für die ein Standard-Exoskelett adaptiv an die jeweilige Geometrie angepasst werden muss“, erklärt Bornmann. Es handelt sich hier um Standard-Systeme, die mit Gurten und Bändern an die Größe des Menschen angepasst werden. „Exoskelette für den Alltagsgebrauch, die Patienten viele Stunden tragen, sollten sozusagen wie angegossen sitzen. Daher können es im Grunde immer nur Individualfertigungen in Losgröße 1 sein“, ergänzt Auberger. „Wir befassen uns schon lange mit diesem Thema und sehen das Thema Ergonomie als ganz zentral an. So müssen bei Menschen mit Lähmungen meist sehr viele individuelle Herausforderungen berücksichtigt werden – zum Beispiel Gelenkinstabilitäten und Achsabweichungen im gesamten Skelett.“

Exoskelette sind heute oft überdesignt

Auberger beobachtet, dass „Exoskelette heute im medizinischen Bereich im Grunde Systeme sind, die den Menschen mit allen Gelenken nachbauen. Dadurch sind sie oft überdesignt“. So seien Sensorik, Motorleistung und Energiespeicher beispielsweise für die Bewegung ausgelegt, welche die meisten Ressourcen benötigen: das Aufstehen aus dem Sitzen oder Treppen hoch gehen. „Das heißt, alle Komponenten sind für diese Anwendungsfälle ausgelegt – und nicht für die eigentliche Funktion, das Gehen und Stehen auf ebener Fläche. Dies bläst ein Exoskelett auf, macht es schwerer und komplexer. Insofern befindet man sich immer auf einer Gratwanderung zwischen Komplexität, also Größe und Gewicht, einerseits sowie Flexibilität in der Anwendung andererseits“, so Auberger.

Die Devise von Ottobock laute: Weniger ist mehr. „Wir konzentrieren uns auf die Frage, was das System am Ende des Tages für den Patienten wirklich leisten soll. Diese Funktionen wollen wir umsetzen, selbst wenn das bedeutet, dass man bei nicht so häufig auftretenden Aktivitäten wie zum Beispiel Treppensteigen nicht optimal unterstützen kann. Wenn das System dafür kleiner und leichter gebaut werden kann, lohnt sich der Kompromiss.“

Dynamisches Gehen ist noch nicht möglich

Auch Professor Wirz von der ZHAW wartet noch „auf den großen Wurf“ bei den starren Exoskeletten für Querschnittgelähmte: „Sie unterstützen noch nicht das dynamische Gehen, wie es für uns Menschen typisch ist. Unsere Gehbewegung ist im Grunde ein ständiges Stürzen vom einem Bein auf das andere, das der Fuß auffängt.“

Der Gleichgewichtssinn sorge dafür, dass dies so funktioniert. Patienten mit Rückenmarksverletzungen fehlt aber der Gleichgewichtssinn. „Daher ermöglichen starre Exoskelette aktuell nur eine Bewegung von einer statischen Position zu anderen“, so Wirz. „Auch seitliche Bewegungen oder das Drehen des Beins sind damit nicht möglich.“ Notwendig dafür sind seiner Ansicht nach schnellere Motoren und eine feiner abgestimmte Sensorik. „Technisch ist das vielleicht machbar, aber wohl kaum bezahlbar“, warnt Auberger vor allzu großem Optimismus. „Schließlich darf in einem solchen Szenario kein Sensor ausfallen, das erhöht die Sicherheitsmaßnahmen enorm.“

Durch das „statische“ Gehen werden Exoskelette den Rollstuhl auf absehbare Zeit auch nicht ersetzen. „Der Rollstuhl ist deutlich schneller und effektiver im Alltag“, räumt Rewalk-Managerin Ikanovic ein. „Jedoch ist momentan nur mit einem Exoskelett ein unmittelbarer Ausgleich der Behinderung und das aufrechte Gehen möglich, was für die Betroffenen einen alltagsrelevanten Bewegungszugewinn darstellt.“ Professor Wirz: „Erst wenn es gelänge, ein Segway mit einem Exoskelett zu verheiraten, könnte man von einer Alternative zum Rollstuhl sprechen.“


Weitere Informationen

Zum Exoskelett-Hersteller Rewalk:

www.rewalk.com/de

Zum Medizintechnikhersteller
Ottobock:

www.ottobock.com

Zum Exoskelett-Hersteller
German Bionic:

www.germanbionic.com

Zur Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften ZHAW und ihr Soft-Exoskelett-Projekt Xosoft

http://hier.pro/t2VYM


Hardiman erwies sich in den 1960er Jahren als zu komplex
Bild: GE

Vorreiter Hardiman

Der Hardiman war 1965 das erste Exoskelett – entwickelt von General Electric (GE) gemeinsam mit dem US-Militär und der US-Marine. Die elektrischen und hydraulischen Arme und Beine verstärkten die Kraft eines Menschen um das 25-fache, sodass der Träger des Exoskeletts maximal 700 kg stemmen konnte. Hardiman wog allerdings selbst genau so viel und war damit äußerst träge: Mit knapp 75 cm pro Sekunde wäre ein Soldat auf dem Schlachtfeld nicht weit gekommen. Er kam über das Prototypenstadium nicht hinaus. Das Projekt wurde Ende der 1960er Jahre eingestellt – nicht zuletzt, weil sich die Arme und Beine von Hardiman nicht kontrollieren ließen.


Beim Cybathlon wird vom 2. bis 3. Mai 2020 die Alltagstauglichkeit von Exoskeletten getestet
Bild: ETH Zürich / Alessandro Della Bella

Cybathlon in Zürich geht in die zweite Runde

Um gemeinsam die Entwicklung von technischen Assistenzsystemen voranzutreiben, bringt der Cybathlon Menschen mit Behinderungen und Entwickler von Technologie zusammen. 2016 war Premiere für den Cybathlon, die zweite Veranstaltung organisiert die ETH Zürich vom 2. bis 3. Mai 2020 in der Swiss Arena in Kloten bei Zürich. Ziel des Events ist es, den Nachweis zu führen, inwieweit zum Beispiel Exoskelette die tatsächlichen Bedürfnisse ihrer Nutzer erfüllen. Dafür treten Teams aus aller Welt gegeneinander an und zeigen in einem Parcours mit alltagsrelevanten Aufgaben wie zum Beispiel Treppensteigen oder Öffnen von Türen die Möglichkeiten und Grenzen der Technik auf – und zwar in sechs verschiedenen Disziplinen:

  • Virtuelles Rennen mit Gedankensteuerung
  • Fahrradrennen mit elektrischer Muskelstimulation
  • Geschicklichkeitsparcours mit Armprothesen
  • Hindernisparcours mit Beinprothesen
  • Parcours mit robotischen Exoskeletten
  • Parcours mit motorisierten Rollstühlen

2016 waren 66 Piloten mit 56 Teams aus 25 Nationen in diesen sechs Disziplinen am Start. 4600 Besucher zählte das Event. Damals fand parallel das Cybathlon Symposium statt.

www.cybathlon.ethz.ch

 

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