Ingenieurarbeit vom Feinsten: Die Laufbandtherapie der Hocoma

Vom Geistesblitz zur Machbarkeitsstudie

Die Schnittstelle zwischen Medizin und Technik hatte Gery Colombo schon immer fasziniert. Als er deshalb an der ETH Zürich sein Studium in biomedizinischer Technik abgeschlossen hatte, packte er gleich zu, wie 1993 am Zürcher ParaCare, dem Paraplegikerzentrum der Universitätsklinik Balgrist, die Stelle eines Forschungsleiters frei war. Professor Volker Dietz, Leiter des Zentrums, befasste sich schon seit Jahren mit der manuellen Therapie für Gehbehinderte. Die Beine solcher Patienten am Laufband zu führen, ist für die beiden Physiotherapeutinnen, die dazu nötig sind, ein mühseliger Kraftakt, bedingt zudem eine unbequeme Abdrehung des Oberkörpers. Fazit: Das Training wird oft nicht genügend lang praktiziert. Dies ist bedauerlich, haben doch gerade Querschnittsgelähmte mit nur teilweise beschädigtem Rückenmark grosse Chancen, ihre Gehfähigkeit mit dem Laufbandtraining zurückzuerlangen. Gery Colombo kam deshalb die Idee, die Arbeit der Therapeuten am Laufband zu automatisieren, um sie zu entlasten und die Patienten gezielter und länger behandeln zu können. Mit zwei weiteren unternehmungslustigen Geistern - Peter Hofstettler als ?'inanziellem Gewissen' und Diplomingenieur Matthias Jörg, spezialisiert für Software- und Elektronik-Entwicklung – gründete er die Hocoma GmbH und führte eine erste Machbarkeitsstudie durch. In diesen Untersuchungen spannten die Jungunternehmer eng mit den Medizinern und Physiotherapeuten des Balgrist zusammen, jede Partei brachte ihr spezifisches Know-how ein.

Anhand der positiven Resultate hiess es nun, die gewonnenen Erkenntnisse und die praktischen Erfahrungen im Klinikalltag auf ein kommerzielles Trainingsgerät anzuwenden. Für dieses Vorhaben suchte Professor Dietz die Unterstützung der KTI (Kommission für Technologie und Innovation). Als industrieller Partner engagierte sich im Projekt die Firma Hocoma wie auch der international tätige Laufbandhersteller Woodway. Mit von der Partie war zudem das Institut für Automatik der ETH Zürich, gewiefter Berater für Fragen der Regelungstechnik.

Massgeschneiderte Lokomotionstherapie

In fünfjähriger Kooperation erarbeiteten die Projektpartner das innovative Konzept des Gehroboters Lokomat®. Durch geschickte Kombination dieser angetriebenen Gehorthese mit dem Woodway Lamellenlaufband entstand das Trainingsgerät LOKO Center®, das erstmals erlaubt, das Führen der Beine von Querschnittsgelähmten auf dem Laufband zu automatisieren. Für die Lokomotionstherapie wird der Patient auf das Laufband gefahren und in den Lokomat® eingepasst. Er 'hängt' an Traggurten, durch variable Manschetten mit zwei Beinorthesen verbunden, die ihn durch starke Elektroantriebe zum Gehen stimulieren. Sämtliche Haltevorrichtungen können individuell an seine Anatomie angepasst werden. Computergesteuerte Miniaturmotoren, im harten Weltraum-Einsatz erprobt, sind mit der Geschwindigkeit des Laufbandes synchronisiert und garantieren, dass die Bewegungen von Lokomat® und Laufband präzis übereinstimmen. Eine spezielle Software steuert die Hüft- und Kniegelenke mit den physiologisch korrekten Gangkurven in Echtzeit. Jeder der vier Achsen wird einzeln elektronisch auf präzise Einhaltung des Gangmusters überwacht. Die einfache, bildschirmgeführte Bedienung erfordert vom betreuenden Personal keine Vorkenntnisse. Die Therapeutinnen können die Trainingsparameter am Monitor laufend den Anforderungen des Patienten anpassen und dank der grafischen Darstellung der Kraftwerte den Verlauf des Trainings kontrollieren. Falls nötig, lässt sich mit wenigen Handgriffen von der automatisierten auf die manuelle Therapie wechseln.

Das im ParaCare Balgrist getestete Gerät setzte rasch neue Standards: «Durch die Automatisierung der Therapie kann die Behandlung heute gezielt auf die Bedürfnisse des Gehbehinderten massgeschneidert werden. Patienten können länger und regelmässiger trainieren, womit sie raschere Fortschritte erzielen», bilanziert Gery Colombo, Geschäftsführer der inzwischen in eine AG umgewandelten Hocoma. «Sogar in der aufwendigen Frühphase der Rehabilitation kann das Training von nur einem Therapeuten durchgeführt werden, was – bei höherer Effizienz - den zeitlichen und finanziellen Aufwand erheblich reduziert, zudem die Therapeuten körperlich entlastet.»

Training für halbseitig gelähmte Patienten

Doch nun wollte die Hocoma-Crew noch einen Schritt weiter gehen und ihren Lokomat® derart konzipieren, dass auch andere gehbehinderte Patienten damit trainieren können. Gerade für den Einsatz bei hemiplegischen Patienten – Patienten mit Hirnschlag – winkt ein lukrativer Markt. Im Gegensatz zum Paraplegiker, ist beim Hemiplegiker nur ein Bein von der Lähmung betroffen. Die Hocoma-Equipe wollte deshalb die regeltechnische Knacknuss so lösen, dass das gesunde Bein automatisch die Gelenkantriebe des gelähmten Beines phasenverschoben steuert. Die Regelung sollte die Gangkurve des gesunden Beines messen und damit den Antrieb für das gelähmte Bein symmetrisch regeln. Dazu hiess es, zusätzliche Sensoren und Steuerungen einbauen, Gangparameter wie Gewichtsbelastung, Geschwindigkeit und Gangmuster optimal anpassen. So war beispielsweise abzuklären, welche Hüftbewegung im Training wichtig ist, da sich dies auf die Verlagerung des Körperschwerpunktes beim Gehen auswirkt.

Da in der ParaCare Balgrist vor allem paraplegische Menschen behandelt werden, schloss sich die Projektequipe mit der Neurologischen Klinik Bad Aibling zusammen, die ebenfalls Hemiplegiker betreut. In dieser zwischen München und dem Chiemsee gelegenen Klinik wurde das neue Konzept mittlerweile erfolgreich getestet. Das mit der Expertise des ETH-Instituts für Automatik entstandene Regelkonzept ermöglicht, das gesunde Bein aktiv mitgehen zu lassen, während nur das gelähmte Bein von der Positionsregelung geführt wird. Damit ist der Lokomat® die weltweit erste und einzige angetriebene Orthese, die sich individuell an verschiedene Patienten adaptieren lässt und sich für den regelmässigen klinischen Einsatz eignet. Inzwischen haben unter anderem Fachleute für Neuro-Rehabilitation am Landeskrankenhaus Hochzirl, am berühmten Rehabilitation Institute of Chicago und am National Rehabilitation Hospital in Washington positive Erfahrungen mit dem Lokomat® gesammelt. Die Zulassungen für den Vertrieb in der EU, den USA (FDA) und Kanada (Health Canada) liegen vor.

Fit für den Markt

Im Jahr 2001 wurde der Lokomat® mit dem Preis des 'Technologiestandortes Schweiz' ausgezeichnet. «Das Gerät ist nicht nur aus medizinischer Sicht eine Pionierleistung, sondern auch wirtschaftlich interessant», kommentiert Professor Volker Dietz. «Auf 1 Mio. Einwohner treten pro Jahr rund 50 Querschnittslähmungen auf, jedoch an die 2000 halbseitige Lähmungen. Während nur rund 25% der Querschnittsgelähmten von einem Laufbandtraining profitieren, sind es im Fall von Halbseitenlähmungen über 50% der Patienten. Die am Lokomat® durchgeführten Verbesserungen für Hemiplegie-Patienten kommen ebenso den Paraplegikern zugute.» Die Entwicklung ist für ihn auch ein Vorzeigebeispiel für gute Kooperation: «Unser grosser Vorteil war der enge Gedankenaustausch zwischen allen Beteiligten; ohne ihn wäre dieser Erfolg nicht möglich gewesen.»

Aber selbst diese Resultate sind für Gery Colombo, der zu 50% in der Forschung am ParaCare arbeitet, noch immer verbesserungswürdig. Er möchte den Lokomat® zusätzlich mit einem Biofeedback-System ausrüsten. Dafür will er – durch Befragung von Therapeuten und mit Testmessungen - die Gangparameter definieren, dann diese durch Messung und Auswertung der Sensordaten an gesunden Probanden und Patienten klinisch testen. «Man muss spüren, wie der Patient mitmacht, seine Fortschritte intuitiv erfassen und ihm ein Feedback geben, damit er sich für das Training motiviert.» Schützenhilfe bietet wiederum die KTI, welche den neuen Optimierungssprung im Rahmen von MedTech, ihrem Förderprogramm für Medizintechnik, unterstützt.

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