Zukunftsmusik? Exoskelett mit Muskelkraft

Ein Exoskelett aus Verbundfaserstoffen, das die Muskelkraft seines Träger nutzt und zugleich dem Abbau von Muskelmasse in den Beinen entgegenwirkt – daran forscht der Münchner Ingenieur Ralph Hohenwarter.
Bei seinem Entwurf verzichtet Hohenwarter auf Elektromotoren als Antrieb, die bei gängigen Varianten die Gelenkbewegung auslösen. Stattdessen setzt er auf funktionelle elektrische Stimulation der Muskeln (FES). Ohne Armstützen soll das Gerät funktionieren, einen natürlichen Gang ermöglichen.Der 40-Jährige, der freiberuflich unter anderem für die Autoindustrie arbeitet, entwickelt bislang ohne Fremdbudget – laut eigener Angaben unterstützt von einem vierköpfigen Freiwilligen-Team aus Ingenieuren und Medizinern. Seit Herbst 2015 bestehen zum Beispiel Kooperationsverbindungen zum Zentrum für Sensomotorik am Klinikum der Universität München in Großhadern. Dort ist demnächst ein erster Testlauf mit einem Teilsystem geplant: Bei einem Radfahrversuch mit einem komplett querschnittgelähmten Patienten wird Hohenwarters Exoskelett-Prinzip mit der elektrischen Muskelstimulation kombiniert. Bis zum marktfähigen Produkt ist es jedoch noch ein weiter Weg, die ersten Modelle sollen frühestens Ende 2017 in der Rehabilitation von Patienten mit Querschnittlähmung, Multipler Sklerose (MS) oder nach einem Schlaganfall zum Einsatz kommen. Im Interview erläutert Ralph Hohenwarter die Idee seines neuartigen Exoskeletts.

Herr Hohenwarter, wie unterscheidet sich Ihr Exoskelett von den bisher am Markt verfügbaren Modellen?
Hohenwarter: Meine Idee ist ein Exoskelett aus Verbundfaserstoffen, das durch elektrische Muskelstimulation (FES) unterstützt wird. Bei den bisher gängigen Produkten lösen Elektromotoren die Gelenkbewegungen aus, die Beinmuskeln sind passiv. Die Laufbewegung wird von der Maschine kontrolliert, erscheint dadurch sehr roboterhaft. Bei meinem Exoskelett sind die eigenen Muskeln die Aktuatoren – also die Energiequellen, welche die Bewegung und die dazu erforderliche Energie bzw. Kraft erzeugen. Dabei werden sie durch einen von außen zugeführten Strom aktiviert. Zudem will ich intelligente Materialien einsetzen, die Bewegungsmuster abbilden und Federenergie speichern sowie – elektronisch gesteuert – wieder freisetzen. Die Aktuatorik wird in das Material integriert sein – und zwar über einen in die Materialstruktur eingebrachten Elektromagnetismus. Im Ergebnis wird der natürlichen Muskelsteuerung, initiiert durch Muskelstimulation, die Kontrolle der Gangbewegung überlassen. Resultat ist ein natürlicherer Gang. Nicht zuletzt minimiert die Herstellung aus Verbundfaserstoffen das Gewicht des Exoskeletts. Das Gerät soll zudem eine Trainingswirkung entfalten, indem es den Muskelaufbau anregt oder einem Abbau zumindest entgegenwirkt.

Bislang können die Nutzer von Exoskeletten nicht auf zusätzliche Gehstöcke verzichten. Was sieht Ihr Konzept vor?
Hohenwarter: Die Prämisse lautet: Der Patient soll die Hände frei haben. Er ist bei meinem Exoskelett-Konzept kein “Passagier”, der festgeschnallt und transportiert wird. Er soll selber laufen, mit seiner Muskelkraft, unterstützt durch die Muskelstimulation. Dies gilt ebenso für das Gleichgewicht. Hier wird die Verantwortung dem Patienten gegeben. Dies wird vor allem Training erfordern.

Ist das Gerät für den Alltagsgebrauch oder für den Einsatz in Reha-Einrichtungen vorgesehen?
Hohenwarter: Zunächst liegen ganz klar Reha-Zentren sowie Einsatzmöglichkeiten in der Bewegungstherapie im Fokus. So sollen erste Modelle Ende 2017 in der Rehabilitation zur Anwendung kommen. Dort werden auch die geeigneten Patienten identifiziert. Danach folgt die Produkteinführung im Alltag.

Bislang sind die Exoskelette noch sehr teuer. Wie sieht Ihre Preisstrategie aus?Hohenwarter: Das Endprodukt soll anwenderfreundlich sein, auch kostenseitig. Ich peile etwa 30.000 bis 40.000 Euro an. Dies lässt sich unter anderem erreichen, weil es lediglich drei Standardgrößen geben wird (S, M, L) und eine Maßfertigung für jeden einzelnen Patienten entfällt. Die Individualisierung erfolgt über Einstellmöglichkeiten am System. Der Einsatz intelligenter Materialien entlastet die Regelungstechnik, ermöglicht ein Abspecken bei der Sensorik. So könnten Sensoren zur Messung der Druckverteilung verzichtbar werden, von denen einer etwa 8.000 Euro kostet. Je mehr Intelligenz im Material, desto weniger Sensoren. Für die Aktivierung braucht es keine Servomotorik.

Für welche Patientengruppe ist Ihre Entwicklung ausgelegt?
Hohenwarter: Für Patienten mit einer akuten Querschnittlähmung ab dem 3. Lendenwirbel, deren motorische Fähigkeiten im Oberkörper nicht limitiert sind und die eine gewisse körperliche Fitness mitbringen. Weil das Gerät ja mittels Muskelstimulation arbeitet, sollte die Querschnittlähmung noch nicht zu lange zurückliegen. Genügend Muskelmasse muss beispielsweise noch vorhanden sein – die Muskeln bauen nach einer Querschnittlähmung ja recht schnell ab. Ebenso könnten Patienten nach einem Schlaganfall sowie MS-Patienten von diesem Konzept profitieren.

Seit wann arbeiten Sie an Ihrer Idee?
Hohenwarter: Die ersten Überlegungen stammen aus dem Jahr 2012. Damals wurde das Konzept im Rahmen eines Unternehmens-Beratungsprojekts entwickelt, dann allerdings nicht umgesetzt. Ich fand die Idee jedoch zu gut, um sie in der Schublade verschwinden zu lassen und habe meine Doktorarbeit darauf aufgebaut.

Wer unterstützt Sie?
Hohenwarter: Das Unterstützerteam besteht aus vier Leuten, darunter ein Ingenieurkollege und ein Student, den ich bei der Masterarbeit betreue. Besonders freue ich mich über die Verbindungen zu PD Dr. med. Dipl.-Ing. Johann Szecsi vom Zentrum für Sensomotorik der Münchner Universitätsklinik in Großhadern sowie PD Dr. med. Rainer Burgkart vom Labor für Biomechanik, Klinikum Rechts der Isar der TU München, die große medizinische und wissenschaftliche Expertise einbringen. Momentan bauen wir ein Funktionsmuster auf, das spätestens im Juni/Juli am Zentrum für Sensomotorik erprobt wird. Der Probelauf wird von einer komplett querschnittgelähmten Patientin mit einem Liegfahrrad durchgeführt. Mit dem dabei eingesetzten Teilsystem wird das Wirkprinzip am Kniegelenk getestet. Denn die Krafteinwirkung am Kniegelenk ist ein sehr kompliziertes Problem. Denn durch das Exoskelett dürfen dort keine Zwangskräfte entstehen, die Knie, Bänder und Muskeln schädigen.

Wie ist das Projekt finanziert?
Hohenwarter: Bis jetzt haben wir keinerlei Industriepartner. Das Projekt wird komplett aus privater Tasche gestemmt, mit viel Idealismus. Erstmals steht uns jetzt ein Student über eine Förderung Vollzeit zur Verfügung. Jetzt gilt es, das System auf ein neues Niveau zu heben und zur Marktreife zu entwickeln. Deshalb bin ich auf der Suche nach Investoren, werde Fördergelder beim Freistaat Bayern beantragen und will eine Finanzierung auf die Beine stellen.

Exoskelett und FES – kann das funktionieren?
FES steht für Funktionelle Elektrische Muskelstimulation (Functional Electrical Stimulation). “Die Muskelstimulation (FES) beruht auf der Nutzung der natürlichen Aktuatoren – also der Muskeln. Diese kontrahieren unter Einwirkung des extern zugeführten Stroms”, erläutert PD Dr. med. Dipl.–Ing. Johann Szecsi vom Zentrum für Sensomotorik am Klinikum der Universität München in Goßhadern. “Bei Anwendung einer intelligenten Stimulation mehrerer Muskeln ist die Lokomotion prinzipiell realisierbar und die Steuerung der Bewegung geht von der Muskulatur des Patienten aus.” Diese Möglichkeit sei im Zentrum für Sensomotorik Anfang der 2000er-Jahre erforscht worden. “Bei rund 20 querschnittgelähmten Patienten konnte mithilfe der Muskelstimulation das Aufstehen, das Gehen, das Radfahren und sogar das Treppensteigen realisiert werden.” Obwohl es mittlerweile kommerzielle Systeme für das stimulierte Gehen gebe – zum Beispiel PARAWALK – habe sich diese Methode nie wirklich durchsetzen können: “Die schnelle Ermüdung der stimulierten, schwachen Muskulatur ermöglichen nur kurze Gehstrecken. Eine unserer komplett querschnittgelähmten Patientinnen praktiziert das Gehen mit einem von uns gefertigten Stimulationssystem seit 15 Jahren. Ihre Gehstrecke beträgt aktuell etwa zehn Meter. Prinzipiell wäre ein Kombination der beiden Methoden – also FES + Exoskelett – die Lösung.”

Der Artikel erschien im Jahr 2016 in der Fachzeitschrift OT – ORTHOPÄDIE-TECHNIK

 

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