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Trauma und Berufskrankheit

, Volume 16, Supplement 1, pp 9–12 | Cite as

Exoskelettales Rehabilitationstraining bei Querschnittgelähmten

Fallserie zum funktionellen Outcome
  • M. Aach
  • M. Sczesny-Kaiser
  • S. Lissek
  • O. Höffken
  • V. Nicolas
  • R. Meindl
  • P. Schwenkreis
  • Y. Sankai
  • M. Tegenthoff
  • T.A. Schildhauer
Übersichten

Zusammenfassung

Hintergrund

In den letzten Jahren wurden neue Rehabilitationsverfahren mit einem Einsatz von Exoskeletten für Querschnittgelähmte entwickelt. Exoskelettal gestütztes Lokomotionstraining wird bei Querschnittsyndromen genutzt. Beim HAL®-Robot Suit werden bioelektrische Signale zur Steuerung der Bewegungen verwendet. In der Annahme, dass das Training eine Leistungssteigerung im Rahmen der Lokomotion und funktionelle Verbesserungen induziert, wurden diese Veränderungen während eines individuellen Heilversuchs bei chronisch paraplegischen Patienten aufgezeichnet.

Patienten und Untersuchungen

Bei 7 chronischen (in)kompletten Paraplegiepatienten, die täglich (5 Tage pro Woche) über 3 Monate mit dem HAL®-Robot Suit trainierten, wurden die laufbandbezogenen Leistungen (Gehstrecke, Gehzeit, Gehgeschwindigkeit, Gewichtsentlastung), funktionelle Verbesserungen [10-m-Gehtest, 6-min-Gehtest, Timed-up-and-go-Test, WISCI-II-Score (WISCI: „walking index for spinal cord injury“)], klinisch neurologische Veränderungen [ASIA- („American Spinal Injury Association“), Ashworth-Skala] sowie subjektive Veränderungen (Vegetativum, Schmerzen) erfasst.

Ergebnisse

Es zeigten sich laufbandbezogene Leistungssteigerungen mit Ausdehnung der Gehzeit, Gehstrecke und Gehgeschwindigkeit. Alle Patienten konnten eine funktionelle Verbesserung inklusive Muskelkraftzuwachs erreichen. Einige Patienten zeigten klinisch neurologische Verbesserungen. Subjektiv angegeben wurden eine Verbesserung der Darmentleerung sowie eine Schmerzreduktion.

Schlussfolgerung

Die Resultate weisen auf mögliche neurologische und funktionelle Verbesserungen auch im Stadium einer chronischen Lähmung hin. Es handelt sich um Einzelfallergebnisse, die im Rahmen einer systematischen Studie überprüft werden müssen.

Schlüsselwörter

Exoskelettale Rehabilitation Querschnittlähmung Rückenmarkverletzung Lokomotionstraining Gehleistung 

Abkürzungsverzeichnis

ASIA

„American Spinal Injury Association“

EMG

Elektromyographie

ENG

Elektroneurographie

fMRT

Funktionelle Magnetresonanztomographie

HAL®

Hybrid Assistive Limb®

L

Lumbal

LEMS

„Lower extremities motor score“

MEP

Motorisch evozierte Potenziale

MRT

Magnetresonanztomographie

S

Sakral

SEP

Somatosensibel evozierte Potenziale

WISCI

„Walking index for spinal cord injury“

ZPP

„Zone of partial preservation“

Exoskeletal rehabilitation in chronic spinal cord injury

A case series concerning functional outcome

Abstract

Background

In recent years, new tools for rehabilitation of patients with spinal cord injury (SCI), including the use of an exoskeleton, have been developed. Locomotor training with exoskeletons is used in SCI patients. The HAL® robot suit uses minimal bioelectrical signals from the patients to induce leg movement. We hypothesize that the training induces functional improvement and increased performance in locomotor training. In this article, these improvements are reported.

Subjects and methods

In all, 7 patients with chronic incomplete SCI participated over a 3-month period of daily (5 times per week) HAL® exoskeleton supported treadmill training. Treadmill-associated performance (walking time, distance, speed, body weight support) and functional improvements [10-m walk test, 6-min walk test, timed-up-and-go test, WISCI II (walking index for spinal cord injury) score] were recorded. In addition, neurological changes [American Spinal Injury Association (ASIA), Ashworth scale] and individual sensations (pain, vegetative differences) were recorded.

Results

We recorded improvements in treadmill training with increased walking time, distance and speed. All patients showed functional improvements including muscle strength. Some patients showed neurological improvements. The individuals named subjective improvements such as pain reduction and better bowl function.

Conclusion

These results show possible neurological and functional improvements also in patients with chronic SCI. These are only individual case results, which must be verified in a systematic clinical trial.

Keywords

Exoskeletal rehabilitation Paraplegia Spinal cord injuries Locomotion Walking capacity  

Hintergrund und Fragestellung

In den letzten 10 Jahren wurden motorbetriebene, laufbandgebundene Gehorthesen entwickelt, um eine Optimierung des Lokomotionstrainings Querschnittgelähmter zu erzielen. Bei inkompletter Querschnittlähmung wurden dadurch Verbesserungen in Bezug auf die laufbandbezogene Gehfähigkeit erreicht, in der Phase der chronischen Lähmung (> 12 Monate) dagegen konnten keine signifikanten funktionellen Fortschritte mehr erzielt werden [1, 2, 3, 4, 6, 8, 9].

In jüngster Vergangenheit kam es zur Entwicklung motorgetriebener Exoskelette, also von außen anliegender, motorbetriebener Stützorthesen. Der HAL®-Robot Suit (Cyberdyne, Japan) ist ein Exoskelett, das noch vorhandene Willkürkontraktionen über Oberflächen-EMG-Elektroden registriert und diese Signale in Bewegungen umsetzt (Abb. 1; [5, 7, 10]). Aufgrund der Funktionsweise, bei der bereits minimale willkürliche bioelektrische Signale der teilgelähmten Muskulatur ausreichen, um das Exoskelett zu aktivieren, ergab sich die Frage, ob funktionelle Verbesserungen auch bei chronischer Querschnittlähmung erreicht werden können.

Untersuchungsmethoden

Wir untersuchten 6 Patienten mit Konus-Kauda-Läsion (1 ASIA B, 1 ASIA C, 4 ASIA A mit ZPP L3–S1) und 1 Patienten mit thorakalem Querschnittsyndrom (ASIA C). Alle Patienten waren chronisch querschnittgelähmt (Zeit seit dem Trauma > 12 Monate).

Die Patienten absolvierten ein intensives exoskelettales Lokomotionstraining mit dem HAL®-Robot Suit für 3 Monate im Rahmen eines individuellen Heilversuchs (Abb. 1). Aufgezeichnet wurden laufbandbezogene Veränderungen in Bezug auf Gehstrecke, -zeit und -geschwindigkeit. Zusätzlich erfolgten funktionelle Tests mittels 10-m-Gehtest, Timed-up-and-go-Test, 6-min-Gehtest und WISCI-II-Score. Veränderungen der Spastik wurden mit der Ashworth-Skala erfasst, zusätzlich wurde das Muskelvolumen an den unteren Extremitäten manuell gemessen. Subjektive Veränderungen (Schmerzreduktion, Körpergefühl, Vegetativum) wurden abgefragt. Neurologische Veränderungen wurden mit der ASIA-Impairment-Skala und dem LEMS objektiviert.

Die dargestellten Daten stammen aus Beobachtungen einer Fallserie. Alle Patienten wurden elektrophysiologisch und mittels MRT untersucht (ENG, Tibialis-SEP, MEP, Doppelpuls-SEP, fMRT). Die durchgeführten Untersuchungen dienten zur Überwachung der Therapie und deren Auswirkungen auf das periphere und zentrale Nervensystem sowie den funktionellen Status und fanden vor, während und nach der Trainingsperiode statt.

Abb. 1

Positionierung der EMG-Elektroden auf der restinnervierten Muskulatur und des Patienten im Exoskelett auf dem Laufband

Abb. 2

Entwicklung der Gehstrecke am Beispiel von 4 Patienten zu Beginn und am Ende des 3-monatigen Trainingszyklus

Ergebnisse

Unsere Untersuchungen im Rahmen des individuellen Heilversuchs zeigen 3 Monate nach dem Training mit dem HAL®-Robot Suit deutliche laufbandbezogene Verbesserungen. Die Gehstrecke konnte von 62–216 m auf 260–1150 m gesteigert werden (Abb. 2), und auch für die Gehzeit (12–18 min auf 18–30 min) und die Gehgeschwindigkeit (0,6–0,8 km/h auf 1,8–2,8 km/h) fanden sich deutliche Zunahmen.

Ebenfalls konnten bei allen Patienten funktionelle Verbesserungen nachgewiesen werden. Besonders deutlich wurde dies im 10-m-Gehtest. Die benötigte Zeit konnte von 27,09–125,83 s auf 11,09–47,51 s reduziert werden. Eine Zeitreduktion ergab sich auch für den Timed-up-and-go-Test. Im WISCI-II-Score verbesserten sich 3 Patienten (Abb. 3). Bei 6 Patienten konnte eine Volumenzunahme der Muskulatur nachgewiesen werden, und alle Patienten wiesen einen um1 bis 3 Punkte höheren LEMS auf. Bei 1 Patienten mit thorakaler Querschnittlähmung fand sich eine Reduktion der Spastik von Ashworth IV auf Ashworth II–III nach dem Training. Ein Patient zeigte einen Switch von ASIA B nach C, ein weiterer eine Ausdehnung der Sensibilität bis Dermatom S2 bei ursprünglich kompletter Paraplegie sub L1 mit Restfunktionen bis L3.

Alle Patienten berichteten nach dem Training von angenehmer Muskelerschöpfung und verbesserter Darmentleerung, 2 Patienten mit Deafferentierungsschmerzen gaben eine Schmerzverminderung mit resultierender Medikamentenreduktion an. Änderungen in der Standardelektrophysiologie fanden sich nicht. Die fMRT-Untersuchungen zeigten jedoch eine verminderte Aktivierung im Handareal bei gleichzeitiger Suppression im Doppelpuls SEP am N. medianus (separate Untersuchung).

Abb. 3

Funktionelle Entwicklung mit Reduktion der Assistenz/Hilfsmittel im 10-m-Gehtest gemäß WISCI-II-Score, Erläuterung der Abkürzungen s. Abkürzungsverzeichnis

Diskussion

Die hier vorgestellten vorläufigen Ergebnisse aus individuellen Heilversuchen weisen auf funktionelle Veränderungen durch das Training mit dem HAL®-Robot Suit hin. Auch in der chronischen Phase einer Querschnittlähmung scheinen durch die exoskelettale Lokomotionstherapie Verbesserungen auch außerhalb des Laufbandtrainings möglich. Es ergaben sich einzelne Hinweise auf mögliche neurologische Verbesserungen. Weiterhin konnte durch das Training eine höhere Leistung der teilgelähmten Muskulatur erzielt werden, am ehesten durch eine effektive Nutzung verbliebener intakter Neuronen. Eine strukturelle Veränderung direkt am verletzen Rückenmark ist nicht wahrscheinlich. Hierfür spricht, dass die standardelektrophysiologischen Messungen ohne Befundänderung blieben. Diese effektivere Nutzung ist wahrscheinlich für die funktionellen Fortschritte bei den 7 Patienten verantwortlich.

Fazit für die Praxis

  • Exoskelettal unterstütztes Lokomotionstraining chronischer Paraplegiepatienten stellt einen neuen innovativen Ansatz in der Neurorehabilitation dar.

  • Es gibt Hinweise für funktionelle Verbesserungen durch ein exoskelettal unterstütztes Lokomotionstraining.

  • Die rein deskriptiven Ergebnisse dieser Fallserie sollten in einer gesonderten Studie systematisch untersucht werden, um weitergehende Aussagen treffen zu können.

Notes

Einhaltung ethischer Richtlinien

Interessenkonflikt. M. Aach, M. Sczesny-Kaiser, S. Lissek, O. Höffken, V. Nicolas, R. Meindl, P. Schwenkreis, M. Tegenthoff, Y. Sankai und T. A. Schildhauer geben an, dass kein Interessenkonflikt besteht. Dieser Beitrag beinhaltet keine Studien an Menschen oder Tieren. The supplement containing this article is not sponsored by industry.

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Copyright information

© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2013

Authors and Affiliations

  • M. Aach
    • 1
  • M. Sczesny-Kaiser
    • 2
  • S. Lissek
    • 2
  • O. Höffken
    • 2
  • V. Nicolas
    • 3
  • R. Meindl
    • 1
  • P. Schwenkreis
    • 2
  • Y. Sankai
    • 4
  • M. Tegenthoff
    • 2
  • T.A. Schildhauer
    • 1
  1. 1.Chirurgische Klinik und PoliklinikBG-Universitätsklinikum BergmannsheilBochumDeutschland
  2. 2.Neurologische Klinik und PoliklinikBG-Universitätsklinikum BergmannsheilBochumDeutschland
  3. 3.Institut für Radiologische Diagnostik, interventionelle Radiologie und NuklearmedizinBG-Universitätsklinikum Bergmannsheil BochumBochumDeutschland
  4. 4.Cyberdyne Inc., Institute of Engineering, Mechanics and SystemsUniversity of TsukubaTsukubaJapan

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