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 Prof. Dr. Stefan Hesse Chefarzt der Abteilung Neurologie Klinik Medical Park Berlin Humboldtmühle |
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| Prof. Dr. Stefan Hesse Chefarzt der Abteilung Neurologie Klinik Medical Park Berlin Humboldtmühle |
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Medical Park Berlin Humboldtmühle
Das repetitive Treppensteigen auf- und abwärts
rollstuhlpflichtiger Patienten nach Schlaganfall mit Hilfe
eines neu entwickelten Gangroboters
Der Schlaganfall ist die häufigste Ursache bleibender Behinderungen in der industrialisierten Welt (13). Die Wiederherstellung der Mobilität ist ein zentrales Anliegen der Neurorehabilitation, zunehmend setzt sich ein aufgabenspezifisch repetitives Üben durch (6, 8). Gangmaschinen, die entweder dem Exoskeleton oder Endeffektor-Ansatz folgten, konnten den aus diesem Konzept abgeleiteten Slogan: „Wer gehen lernen möchte, muss gehen“ erfolgreich umsetzen (15, 17, 18, 20, 21). Sie reduzierten den für die Unterstützung des Gehens erforderlichen therapeutischen Aufwand, um so die Intensität zu steigern. Insbesondere die kontrollierten Studien zum endeffektorbasierten Gangtrainer GT I (9) zeigten ein durchgehend positives Ergebnis hinsichtlich der Wiederherstellung der Gehfähigkeit rollstuhlpflichtiger Schlaganfallpatienten (15). Allen kommerziell verfügbaren Geräten gemeinsam ist die Beschränkung auf das wiederholte Üben des Gehens in der Ebene. Das Treppensteigen auf-und abwärts jedoch ist fester Bestandteil der Alltagsmobilität, sei es im Haus oder in der Öffentlichkeit. Dessen repetitives Üben limitiert jedoch der damit verbundene körperliche Aufwand, in der Regel sind zwei Therapeuten erforderlich. Hinzu kommt das damit verbundene Risiko für Patient und Therapeut. Deshalb wurde ein endeffektorbasierter Gangroboter (G-EO) entwickelt, dessen frei programmierbare Trajektorien der Fußplatten rollstuhlpflichtigen Patienten nicht nur das simulierte Gehen in der Ebene, sondern auch das Treppensteigen auf-und abwärts erlauben (10). Das Gerät folgte den Prinzipien des Forschungsprototyp HapticWalker (12, 19), ist jedoch deutlich kleiner und begnügt sich mit einem 230-Volt-Anschluss. Der vorliegende Artikel möchte zum einen das Gerät und erste klinische Ergebnisse vorstellen, zum anderen eine neu konzipierte Ordinalskala präsentieren (Functional Stair Climbing Category, FSCC), mit deren Hilfe die beim Treppensteigen auf-und abwärts erforderliche therapeutische Hilfe bestimmt werden soll.
Das Gerät
Der gurtgesicherte Patient steht auf zwei Fußplatten, deren Trajektorien voll programmierbar sind. Ein Bewegungsarm verknüpft die Fußplatten jeweils mit zwei Schlitten. Die Bewegung des Hauptschlittens, der mittels eines Transmissionsriemen mit einem Linearantrieb (1500-Watt-Servomotor) verbunden ist, kontrolliert die Schrittlänge. Die Kontrolle der Schritthöhe erfolgt nach dem Scherenprinzip, indem der zweite Schlitten sich relativ zum ersten bewegt (zweiter 1500-Watt-Servomotor). Nähern sich beide, so schließt sich die Schere und der mit der Fußplatte verbundene Arm hebt sich bzw. vice versa. Ein dritter Antrieb (400 Watt) ist in den Arm integriert und rotiert die Fußplatte, indem ein Riemen an der externen Achse der Platte in Höhe des Sprunggelenks ansetzt, um so die Plantar-und Dorsiflexion zu kontrollieren. Die maximale Schrittlänge ist 55 cm, die maximalen Winkel +/-90°, die maximale Schritthöhe im Arbeitsraum ist 40 cm, so dass die Patienten die Standardstufe von 28 cm auf- und abwärts steigen können. Die maximal mögliche Ganggeschwindigkeit ist 0,7m/s, entsprechend einer maximalen Beschleunigung von einem g. Der Fuß ist in einer auf einer Platte montierten Schneeschuhbindung fixiert, die Platte ist mittels Magneten mit der Grundplatte verbunden. Im Notfall lösen sich die Platten voneinander in allen drei Richtungen, sobald ein Drehmoment >4Nm überschritten ist. Beidseitige Handläufe können in Höhe und Breite verstellt werden. Das Gewichtsentlastungssystem ist in einen Stahlrahmen integriert, es besteht zum einen aus einem elektronischen Lifter, der auch dazu dient, das Aufstehen des Patienten aus dem Rollstuhl zu assistieren. Zusätzliche Komponente ist ein angetriebenes Dreirollensystem, um so die vertikalen und seitlichen Bewegungen des Körperschwerpunkts zu kontrollieren, die übertragenden Seile setzen am Gurt an. Eine Rampe dient dazu, dass der Patient im Rollstuhl von hinten auf das Gerät fährt, nachfolgend werden die Füße in der Bindung fixiert, der Gurt, den der Patient bereits angelegt hat, wird mit dem Liftsystem verbunden, so dass der Patient assistiert aufstehen kann. Nach einem letzten Check kann die Therapie starten. Ein sog. Graphic User Interface (GUI) zeigt die Trajektorien der Fußplatten online, der Therapeut kann sie jederzeit mittels des GUI kontrollieren und ggf. adjustieren. Veränderbare Größen sind die Schrittlänge, die Schritthöhe, der Sprunggelenkwinkel, die vertikalen und horizontalen Exkursionen des CoM, die Gewichtsentlastung und die relative Position des Aufhängepunkts in Bezug auf die Fußplatten. Ein Rechner memoriert die Behandlungsparameter eines jeden Patienten. Die Abmaße der CE-zertifizierten Maschine sind 2.800mm x 1.200mm x 2.300 mm. Das Nettogewicht beträgt 650 kg, der Stromanschluss ist 230 Volt.
Klinische Studie
Zur ersten Evaluation des Gerätes erfolgte eine offene Studie. Es nahmen 15 subakute Schlaganfallpatienten teil, die einen erstmaligen supratentoriellen Schlaganfall erlitten hatten. Das Intervall war < 8 Wochen, das Alter war < 80 Jahre, die Patienten waren zumindest rollstuhlmobilisiert, der Barthel-Index reichte von 30 -55 Punkte, sie konnten zumindest an der Bettkante frei sitzen und kurze Zeit mit Festhalten stehen. Während der Gangtherapie benötigten sie die kontinuierliche oder intermittierende Hilfe einer Person zwecks Gewichtsübernahme und Balance entsprechend einem FAC von 1 oder 2. Die Patienten waren nicht in der Lage, eine Treppe rauf und runter zu steigen (FSCC 0), oder benötigten die Hilfe von zwei (FSCC 1) oder einer Person (FSCC 2). Es lag keine ausgeprägte Spastik der Beine vor, eine kardiologische Untersuchung einschließlich EKG hatte keine Einwände gegen die Therapie ergeben, weitere neurologische oder orthopädische, die Gehfähigkeit beeinträchtigende Erkrankungen lagen nicht vor. Auch verstanden die Patienten den Inhalt und Sinn der Untersuchung.
Intervention
Zusätzlich zur konventionellen Therapie der Phase C übten die Patienten auf dem G-EO 20 -25 min netto jeden Werktag für vier Wochen. Einschließlich Ein-und Ausstieg und Pausen ergab sich eine Bruttotherapiezeit von 45 min. Ein Therapeut half, den Gurt im Rollstuhl anzulegen, fuhr den Patienten auf das Gerät, fixierte die Füße in den Schneeschuhbindungen, hakte den Gurt ein, liftete den Patienten und rief die vom Rechner gespeicherten Therapieparameter auf. In jeder Einheit übte der Patient 10 -15 min das simulierte Gehen in der Ebene, nach einer Pause folgten 5 -10 min netto Treppensteigen, hälftig auf- bzw. absteigen. Minimal waren 300 Schritte in der Ebene und 150 Treppenstufen. Pausen waren optional, aber eine konsekutive Therapiedauer von mindestens 5 (3) min war in der Ebene (auf der Treppe) einzuhalten. Die Herzfrequenz und der arterielle Blutdruck wurden zu Beginn und zu Ende jeder Einheit gemessen. Falls erforderlich, unterstützte der Therapeut, der vor dem Patient stand, manuell die Knieextension.
Assessment
In Analogie zur sog. Functional Ambulation Category (FAC, 0 -5) wurde die Functional Stair Climbing Category von der Arbeitsgruppe entwickelt. Es handelt sich um eine siebenstufige Ordinalskala (0-6), die den noch erforderlichen therapeutischen Aufwand bzw. die Qualität hinsichtlich der Schrittfolge (nachgestellt oder alternierend) beim Treppenauf-und absteigen einer neunstufigen Treppe mit beidseitigem Geländer beurteilt. Es wird sowohl das Treppensteigen auf und abwärts beurteilt, bei unterschiedlicher Inanspruchnahme von Hilfe bergauf oder bergab zählt die schlechtere.
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| Ein rechtshemiparetischer Patient übt gurtgesichert das Treppaufwärtssteigen mit dem G-EO-System. |
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Leistung
Score 0 = das Treppensteigen auf- und abwärts ist trotz Hilfe nicht möglich
Score 1 = der Patient benötigt die Hilfe zweier Personen, die das Steigen, die Balance und die Gewichtsübernahme unterstützen
Score 2 = der Patient benötigt die kontinuierliche Hilfe einer Person, die das Steigen, die Balance und die Gewichtsübernahme unterstützt
Score 3 = der Patient benötigt die kontinuierliche oder intermittierende Hilfe einer Person, die die Balance oder das Steigen unterstützt
Score 4 = der Patient benötigt die verbale Unterstützung oder Stand-by einer Person ohne physischen Kontakt
Score 5 = der Patient steigt die Treppe selbstständig im Nachstellschritt
Score 6 = der Patient steigt die Treppe selbstständig alternierend
Die Skala berücksichtigt nicht die Inanspruchnahme von Hilfsmitteln wie einer Orthese, eines Stocks oder des Geländers.
Zusätzlich wurde das Gehen untersucht:
a) mit Hilfe der Functional Ambulation Category (FAC, 0 -5) (11) die beim Gehen erforderliche Hilfe (0=Patient kann nicht selbstständig gehen oder benötigt die Hilfe von mindestens zwei Personen; 5 = Patient kann selbstständig überall hin gehen, einschließlich Treppe steigen), Orthesen oder Stöcke konnten benutzt werden; und b) mit Hilfe des 10m-Tests die mittlere Ganggeschwindigkeit. Mit oder ohne Hilfe eines erfahrenen Therapeuten legte der Patient eine Strecke von 14m zurück, die Zeit auf die mittleren 10m wurde gemessen (7). Des weiteren wurde die Beinkraft mittels des Motricity Index Bein (MI, 0-100) bestimmt, er bestimmte die Kraft für die Dorsiflexion des Sprunggelenks, der Kniestreckung und der Hüftflexion (5). Motorische Funktionen wurden mit Hilfe des Rivermead Motor Assessment Scores erfasst. Die sog. Gross Functions (RMGF, 0-13) beinhalteten 13 Items aufsteigender Schwierigkeit von Sitzen an der Bettkante bis zu fünfmal Hüpfen auf dem betroffenen Bein. Der Untertest Leg & Trunk (RLT, 0-10) beinhaltete zehn Items aufsteigender Schwierigkeit von Drehen auf die betroffene Seite bis zu Kniebeugen mit dem betroffenen Bein. Der Tonus wurde mit Hilfe eines Summenscores bestimmt, wofür anhand des Ashworth Scores der Widerstand gegen die folgenden fünf passiven Bewegungen erhoben wurde: Dorsiflexion und Eversion des Sprunggelenks, Flexion und Extension des Knies und Beugung der Hüfte (1). Zwei erfahrene Therapeuten untersuchten die Patienten gemeinsam zu Beginn der Behandlung und nach zwei bzw. nach vier Wochen.
Statistik
Im Falle eines Ausscheidens aus der Studie war eine sog. Intention-to-treat-Analyse geplant, d. h. die Messung bzw. der zuletzt vorhandene Wert sollten fortgeführt werden. Es wurden absolute Veränderungen während der zusätzlichen Lokomotionstherapie (T0 bis T4) berechnet. In einem zweiten Schritt wurden 95 % CI der Veränderungen während diesen beiden Perioden ermittelt, die 95 % CI sollten die klinische Relevanz der Veränderungen einschätzen helfen.
Ergebnisse
Tabelle 1 gibt die demographischen und klinischen Daten der Patienten wieder. Alle 15 Patienten beendeten die Studie, relevante Nebenwirkungen traten nicht auf. Ein Patient pausierte die Lokomotionstherapie für eine Woche, ursächlich waren Kniebeschwerden bei vorbekannter Arthrose. Nach bzw. unter Therapie konnte die Intervention fortgeführt werden.
Die Patienten beurteilten die Therapie auf dem Roboter positiv, sie erinnerte sieben Patienten an ihr früheres Gehen und Treppensteigen. Eine anfänglich von drei Patienten geäußerte Befürchtung einer Überanstrengung legte sich nach den ersten Therapien. Das Treppensteigen wurde durchweg als anstrengender empfunden.
Tabelle 2 gibt die mittleren Veränderungen aller Parameter und deren 950/0-Konfidenzintervall während der vierwöchigen Interventionsperiode wieder. Der FSCC, FAC, die Ganggeschwindigkeit, der Rivermead Motor Assessment Score und der Motricity Index verbesserten sich signifikant (p <0,001). Der Muskeltonus erfuhr keine wesentliche Veränderung. Zum Ende der Studie konnten acht (fünf) Patienten selbstständig in der Ebene gehen, entsprechend einem FAC von 4 oder 5, bzw. selbstständig die Treppe auf- und abwärts steigen, entsprechend einem FSCC von 5 oder 6. Deren mittlere Ganggeschwindigkeit in der Ebene betrug 0,81m/s (FAC 4 oder 5) bzw. 0,86m/s (FSCC 5 oder 6).
Diskussion
Die offene Studie erlaubt keinerlei Rückschlüsse auf die Effektivität des Roboters. Die Patienten waren in der Phase der größten Spontanerholung, das Lokomotionstraining war zusätzlich und es wurde keine Kontrollgruppe untersucht. Das klinische Potential des Gerätes scheint dennoch gegeben, eine kontrollierte Studie als nächster Schritt ist berechtigt.
Der endeffektorbasierte Roboter, der dem Forschungsprototypen Haptic Walker (19) folgte, verfügt über acht Freiheitsgrade; drei für jedes Bein (Kontrolle der Schrittlänge, -höhe und des sagittalen Sprunggelenkwinkels) und zwei für die Kontrolle der vertikalen und seitlichen Bewegung des Körperschwerpunkts (10). Zusätzlich können die Gewichtsentlastung und die Position des Aufhängepunkts in Relation zu den Fußplatten verstellt werden. Somit kann der rollstuhlpflichtige Patient nicht nur das simulierte Gehen in der Ebene, sondern auch das Treppensteigen auf- und abwärts repetitiv üben.
Voruntersuchungen zeigten, dass schwer betroffene Patienten, die überhaupt nicht gehen konnten oder zumindest die Hilfe von zwei Personen benötigten (= FAC 0), nur bedingt geeignet waren. Die eingeschränkte Kontrolle der Balance und des Knies waren limitierend, auch fühlten die Patienten sich im Treppensteigmodus überfordert und unsicher, die Platte war zu weit vom Boden weg. Ein FAC von 1, gehfähig mit Hilfe einer Person, war somit das Minimalkriterium für eine Teilnahme. Mögliche übungsbedingte Nebenwirkungen waren in erster Linie eine Exazerbation einer Arthrose der Beingelenke, eine kardiovaskuläre Überanstrengung und Druckstellen durch den Gurt.
Während des Lokomotionstrainings steigerten die Patienten – in Bestätigung des aufgabenspezifisch repetitiven Konzepts (26) – die Fähigkeit zu gehen und Treppe zu steigen relevant. Mehrere Studien konnten bereits eine positive Korrelation zwischen der Therapieintensität und der Verbesserung der Gehfähigkeit bestätigen (14, 23). Die Verbesserungen des FAC und der Ganggeschwindigkeit entsprachen denen früherer Untersuchungen nach einem ähnlichen Design der Arbeitsgruppe auf dem Laufband und dem elektromechanischen Gangtrainer GT I (8, 24).
Das Treppensteigen wurde bis dato nur wenig beachtet. In einer großen italienischen Studie mit 437 nicht gehfähigen subakuten Schlaganfallpatienten erlernten nur 5% der Patienten, eine Treppe zu steigen (16). In der vorliegenden Untersuchung erreichten dagegen fünf der 15 Patienten (330/0) diese Fähigkeit. Die Maschine reduzierte intentionsgemäß den beim Treppensteigen erforderlichen Aufwand, sodass die noch rollstuhlpflichtigen Patienten 100 bis 200 Schritte in einer Einheit steigen konnten.
Man könnte einwenden, dass das repetitive Üben des Treppensteigens im Falle von noch rollstuhlpflichtigen Patienten zu früh sei. Auf der anderen Seite ist es fester Bestandteil auch des Bobath-Konzepts, um eine möglichst physiologische Stand-und Schwungbeinphase einzuüben (2, 5); zweitens ist der Transfer der Fähigkeit von einer motorischen Aufgabe zur anderen fraglich (25), und drittens ist das Treppensteigen ein starker Trainingsreiz für die Muskulatur und das Herzkreislaufsystem (22).
Zusammenfassend erlaubt der neue Gangroboter rollstuhlpflichtigen Patienten nicht nur das wiederholte Üben des Gehens in der Ebene, sondern auch das Treppensteigen auf-und abwärts. Die offene Studie zeigte eine deutlich verbesserte Geh-und Treppensteigfähigkeit in der vierwöchigen Phase, in der das Training mit dem Roboter zusätzlich erfolgte. Relevante Nebenwirkungen traten nicht auf. Das Design der Studie erlaubt keinerlei Rückschlüsse auf die Effektivität des Geräts, eine kontrollierte Studie sollte folgen.
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Mittlere Differenz und deren 95% Konfidenzintervall aller Patienten für alle abhängigen Variablen von Beginn bis Ende der Interventionsphase (T0 to T4)
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Klinische Daten und individuelle Rohwerte der
abhängigen Variablen zu allen Messpunkten
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Literatur
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