Ein weicher, tragbarer Roboter hilft einer Person mit Parkinson, ohne zu frieren zu gehen

Frieren ist eines der häufigsten und schwächendsten Symptome der Parkinson-Krankheit, einer neurodegenerativen Erkrankung, von der weltweit mehr als 9 Millionen Menschen betroffen sind. Wenn Personen mit Parkinson-Krankheit erstarren, verlieren sie plötzlich die Fähigkeit, ihre Füße zu bewegen, oft mitten im Schritt, was zu einer Reihe stakkatoartiger Stotterschritte führt, die immer kürzer werden, bis die Person ganz stehen bleibt. Diese Episoden sind eine der häufigsten Ursachen für Stürze bei Menschen mit Parkinson-Krankheit.

Heutzutage wird Frieren mit einer Reihe pharmakologischer, chirurgischer oder Verhaltenstherapien behandelt, von denen keine besonders wirksam ist.

Was wäre, wenn es eine Möglichkeit gäbe, das Einfrieren ganz zu stoppen?

Forscher der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) und des Sargent College of Health & Rehabilitation Sciences der Boston University haben einen weichen, tragbaren Roboter eingesetzt, um einer Person mit Parkinson beim Gehen zu helfen, ohne zu frieren. Das Roboter-Kleidungsstück, das um die Hüften und Oberschenkel getragen wird, gibt beim Schwingen des Beins einen sanften Druck auf die Hüften und hilft dem Patienten so, längere Schritte zu machen.

Das Gerät beseitigte das Frieren der Teilnehmer beim Gehen in Innenräumen vollständig und ermöglichte ihnen, schneller und weiter zu gehen, als sie es ohne die Hilfe des Kleidungsstücks könnten.

Wir haben herausgefunden, dass bereits eine kleine Menge mechanischer Unterstützung durch unsere weiche Roboterkleidung sofortige Auswirkungen hatte und das Gehen der einzelnen Personen in unserer Studie unter verschiedenen Bedingungen kontinuierlich verbesserte.“

Conor Walsh, Paul A. Maeder-Professor für Ingenieurwissenschaften und angewandte Wissenschaften am SEAS und Mitautor der Studie

Die Forschung zeigt das Potenzial der Soft-Robotik zur Behandlung dieses frustrierenden und potenziell gefährlichen Symptoms der Parkinson-Krankheit und könnte es Menschen mit dieser Krankheit ermöglichen, nicht nur ihre Mobilität, sondern auch ihre Unabhängigkeit wiederzuerlangen.

Die Forschung wurde in Nature Medicine veröffentlicht.

Seit über einem Jahrzehnt entwickelt Walshs Biodesign Lab am SEAS unterstützende und rehabilitative Robotertechnologien, um die Mobilität von Menschen nach einem Schlaganfall und von Menschen mit ALS oder anderen Krankheiten, die die Mobilität beeinträchtigen, zu verbessern. Einige dieser Technologien, insbesondere ein Exo-Anzug zur Gangschulung nach einem Schlaganfall, wurden vom Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering unterstützt und von ReWalk Robotics lizenziert und kommerzialisiert.

Im Jahr 2022 erhielten SEAS und Sargent College ein Stipendium der Massachusetts Technology Collaborative, um die Entwicklung und Umsetzung von Robotik und tragbaren Technologien der nächsten Generation zu unterstützen. Die Forschung konzentriert sich auf das Move Lab, dessen Aufgabe darin besteht, Fortschritte bei der Verbesserung der menschlichen Leistungsfähigkeit mit dem nötigen Kooperationsraum, der Finanzierung, der F&E-Infrastruktur und der Erfahrung zu unterstützen, um vielversprechende Forschung in ausgereifte Technologien umzuwandeln, die durch die Zusammenarbeit mit Industriepartnern umgesetzt werden können.

Diese Forschung ist aus dieser Partnerschaft hervorgegangen.

„Der Einsatz weicher, tragbarer Roboter zur Verhinderung des Einfrierens des Gangs bei Parkinson-Patienten erforderte eine Zusammenarbeit zwischen Ingenieuren, Rehabilitationswissenschaftlern, Physiotherapeuten, Biomechanikern und Bekleidungsdesignern“, sagte Walsh, dessen Team eng mit dem von Terry Ellis, Professor und Abteilung für Physiotherapie, zusammenarbeitete Vorsitzender und Direktor des Zentrums für Neurorehabilitation an der Boston University.

Das Team arbeitete sechs Monate lang mit einem 73-jährigen Mann mit Parkinson-Krankheit, der trotz chirurgischer und pharmakologischer Behandlungen mehr als zehnmal am Tag schwere und handlungsunfähige Kälteepisoden erlitt, die zu häufigen Stürzen führten. Diese Episoden hinderten ihn daran, in seiner Gemeinde herumzulaufen, und zwangen ihn, sich auf einen Roller zu verlassen, um sich draußen fortzubewegen.

In früheren Forschungsarbeiten nutzten Walsh und sein Team die Human-in-the-Loop-Optimierung, um zu zeigen, dass ein weiches, tragbares Gerät verwendet werden könnte, um die Hüftbeugung zu verbessern und das Vorwärtsschwingen des Beins zu unterstützen, um einen effizienten Ansatz zur Reduzierung des Energieaufwands beim Gehen zu bieten bei gesunden Menschen.

Hier verwendeten die Forscher den gleichen Ansatz, aber um das Einfrieren anzugehen. Das tragbare Gerät verwendet kabelbetriebene Aktoren und Sensoren, die um die Taille und die Oberschenkel getragen werden. Anhand der von den Sensoren erfassten Bewegungsdaten schätzen Algorithmen die Gangphase und erzeugen parallel zur Muskelbewegung unterstützende Kräfte.

Der Effekt war augenblicklich. Ohne spezielles Training war der Patient in der Lage, in Innenräumen ohne Erfrierungen zu gehen, und im Freien kam es nur gelegentlich zu Erfrierungen. Er konnte auch gehen und sprechen, ohne zu frieren, was ohne das Gerät eine Seltenheit war.

„Unser Team war wirklich begeistert, die Auswirkungen der Technologie auf das Gehen der Teilnehmer zu sehen“, sagte Jinsoo Kim, ehemalige Doktorandin am SEAS und Co-Hauptautorin der Studie.

Während der Studienbesuche sagte der Teilnehmer den Forschern: „Der Anzug hilft mir, längere Schritte zu machen, und wenn er nicht aktiv ist, merke ich, dass ich meine Füße viel mehr schleppe. Es hat mir wirklich geholfen und ich empfinde es als einen positiven Fortschritt.“ Es könnte mir helfen, länger zu gehen und meine Lebensqualität zu erhalten.“

„Unsere Studienteilnehmer, die sich ehrenamtlich engagieren, sind echte Partner“, sagte Walsh. „Da Mobilität schwierig ist, war es für diese Person eine echte Herausforderung, überhaupt ins Labor zu kommen, aber wir haben sehr von seiner Perspektive und seinem Feedback profitiert.“

Das Gerät könnte auch verwendet werden, um die Mechanismen des Gangeinfrierens besser zu verstehen, über die noch wenig bekannt ist.

„Da wir das Einfrieren nicht wirklich verstehen, wissen wir nicht wirklich, warum dieser Ansatz so gut funktioniert“, sagte Ellis. „Aber diese Arbeit legt die potenziellen Vorteile einer „Bottom-up“- statt einer „Top-down“-Lösung zur Behandlung des Gangeinfrierens nahe. Wir sehen, dass die Wiederherstellung einer nahezu normalen Biomechanik die periphere Dynamik des Gangs verändert und möglicherweise die zentrale Gangverarbeitung beeinflusst Kontrolle.“

Die Forschung wurde gemeinsam von Jinsoo Kim, Franchino Porciuncula, Hee Doo Yang, Nicholas Wendel, Teresa Baker und Andrew Chin verfasst. Asa Eckert-Erdheim und Dorothy Orzel trugen ebenfalls zum Design der Technologie bei, während Ada Huang und Sarah Sullivan die klinische Forschung leiteten. Es wurde von der National Science Foundation im Rahmen des Zuschusses CMMI-1925085 unterstützt; die National Institutes of Health im Rahmen des Stipendiums NIH U01 TR002775; und der Massachusetts Technology Collaborative, Collaborative Research and Development Matching Grant.