Studie der MedUni Wien kombiniert tragbares Hand-Exoskelett mit Neurostimulation
Forschende der MedUni Wien, ETH Zürich, TUM und Belgrad berichten in Science Advances über SensoExo – ein System, das Fingerbewegung, Tastwahrnehmung und Greifkontrolle unterstützt.
Forschende der Medizinischen Universität Wien haben gemeinsam mit der ETH Zürich, der Technischen Universität München und der Medizinischen Fakultät Belgrad ein tragbares neurorobotisches System entwickelt, das elektrische Neurostimulation mit Hand-Exoskeletten kombiniert. In einer klinischen Studie mit 14 Patient:innen mit Handbeeinträchtigungen infolge neurologischer Verletzungen unterstützte die Technologie Fingerbeweglichkeit, Tastwahrnehmung und Greifkontrolle.
Die Ergebnisse, die aktuell im Journal Science Advances veröffentlicht wurden, werden in der Mitteilung der MedUni Wien als Hinweis auf das Potenzial personalisierter Assistenzsysteme für Menschen mit den Folgen einer Rückenmarks- oder Hirnverletzung dargestellt. Die Studie testete das System unter verschiedenen Bedingungen und verglich mechanische und neuronale Unterstützung.
Das Forschungsteam um Studienleiter Stanisa Raspopovic vom Zentrum für Medizinische Physik und Biomedizinische Technik der MedUni Wien entwickelte das System „SensoExo“ zur Unterstützung von Menschen mit sensomotorischen Handbeeinträchtigungen. Es kombiniert ein tragbares Hand-Exoskelett mit einer individuell angepassten Neurostimulationsmanschette und Sensorik an den Fingern.
Die Neurostimulationsmanschette stimuliert über die Haut gezielt Nerven und Muskeln im Unterarm. Sensoren an den Fingern erfassen Berührungen und Greifkräfte und übersetzen diese Informationen in elektrische Stimulation, die Nutzer:innen taktile Rückmeldung vermitteln kann. Zusätzlich kann funktionelle elektrische Stimulation dabei helfen, die Finger leichter zu öffnen und zu schließen.
Das System wurde an 14 Patient:innen mit neurologischen Handbeeinträchtigungen getestet. Alle Studienteilnehmer:innen wiesen sensorische Defizite auf und erhielten daher taktile Rückmeldung über transkutane elektrische Nervenstimulation. Bei sieben Personen mit besonders ausgeprägter motorischer Einschränkung wurde zusätzlich funktionelle elektrische Muskelstimulation eingesetzt, um Handöffnung und Griffkraft zu unterstützen.
Die Untersuchung verglich drei Bedingungen: keine Unterstützung, Unterstützung durch ein Exoskelett allein und die kombinierte Anwendung aus Exoskelett und Neurostimulation. Acht der 14 Teilnehmer:innen absolvierten zusätzlich funktionelle Greif- und Loslassaufgaben mit sperrigen sowie fragilen Objekten.
Laut Mitteilung zeigte die Kombination aus Exoskelett und Neurostimulation gegenüber einem Exoskelett allein zusätzliche Vorteile. Bei Patient:innen mit schwerer motorischer Einschränkung verbesserte SensoExo die Fingerbeweglichkeit in größerem Ausmaß als das Exoskelett allein. Auch die künstlich vermittelte taktile Rückmeldung erweiterte jene Handbereiche, in denen Berührungsempfindungen wahrgenommen werden konnten.
„Unser Ziel war es, nicht nur Bewegung mechanisch zu unterstützen, sondern auch den Tastsinn wiederherzustellen“, sagt Stanisa Raspopovic. „Gerade beim Greifen ist das Zusammenspiel von Kraft, Bewegung und Tastsinn entscheidend. Ohne Rückmeldung darüber, wie stark ein Objekt gehalten wird, bleibt die Handfunktion im Alltag deutlich eingeschränkt.“
In den funktionellen Tests erreichten die Teilnehmenden mit SensoExo die höchsten Erfolgsraten beim Greifen und Transportieren von Objekten. Bei sperrigen Objekten unterstützte die Muskelstimulation die Griffkraft. Bei fragilen Objekten half die sensorische Rückmeldung, zu starken Druck zu vermeiden.
Erstautor Andrea Cimolato vom Zentrum für Medizinische Physik und Biomedizinische Technik der MedUni Wien fasst zusammen: „Die Ergebnisse zeigen, dass motorische Assistenz und sensorische Rückmeldung zusammen gedacht werden müssen.“ In der Aussendung heißt es weiter, dass das System je nach Einschränkungsprofil angepasst werden kann: Personen mit stärkerer motorischer Einschränkung profitierten vor allem von zusätzlicher motorischer Unterstützung, während Personen mit ausgeprägtem Sensibilitätsverlust die sensorische Rückmeldung nutzten, um fragile Objekte präziser zu greifen.
„Die Technologie ist derzeit noch ein Prototyp und kein vollständig entwickeltes Medizinprodukt für den Alltag“, betont Raspopovic. „Die Studie liefert aber frühe klinische Evidenz dafür, dass nicht-invasive Neurostimulation in Kombination mit tragbarer Robotik eine realistische Grundlage für künftige personalisierte Assistenzsysteme sein kann.“
Die Studie wurde im Journal Science Advances veröffentlicht. Titel der Publikation: Combining neural stimulation and exoskeletons to improve sensorimotor hand function following brain or spinal cord injury. In der Mitteilung werden die Autor:innen wie folgt genannt: Andrea Cimolato, Dunja Cekić, Natalija Katić Šećerović, Margerita Razzoli, Francesco Missiroli, Jan Dittli, Pietro Palopoli, Sara Bellomo, Julia Kenel, Suzana Dedijer Dujović, Sebastian Frese, Lorenzo Masia, Olivera Djordjevic, Olivier Lambercy, Giacomo Valle, Ljubica Konstantinovic und Stanisa Raspopovic. DOI: 10.1126/sciadv.ady3144.
An der Studie waren neben der MedUni Wien Forschungsteams um Lorenzo Masia an der Technischen Universität München und Olivier Lambercy an der ETH Zürich beteiligt, die die Exoskelette entwickelten. Das Team um Ljubica Kostadinovic an der Medizinischen Fakultät Belgrad unterstützte die klinischen Untersuchungen.
Exoskelett: Ein Hand-Exoskelett ist ein tragbares Gerät, das mechanische Unterstützung für Bewegungen der Hand und Finger bietet. Im Projekt SensoExo dient das Exoskelett dazu, greif- und öffnende Bewegungen zu unterstützen.
Transkutane elektrische Nervenstimulation: Dabei werden über die Haut elektrische Reize appliziert, um Nerven zu aktivieren. In der Studie erhielten alle Teilnehmer:innen aufgrund sensorischer Defizite taktile Rückmeldung über transkutane Stimulation.
Funktionelle elektrische Stimulation (FES): FES beschreibt die gezielte elektrische Aktivierung von Muskeln, um Bewegungen zu unterstützen. Bei sieben Teilnehmenden kam FES zusätzlich zur Unterstützung der Handöffnung und Griffkraft zum Einsatz.
Taktiler Rückmeldung: Dieser Begriff bezeichnet künstlich vermittelte Berührungsempfindungen, die Nutzer:innen helfen können, Druck und Kontakt zu beurteilen. Im SensoExo-System werden Sensorsignale in elektrische Stimulation übersetzt, um taktile Rückmeldung zu geben.
Sensomotorisch: Das Adjektiv beschreibt die Kombination von sensorischen (Wahrnehmung) und motorischen (Bewegung) Funktionen. SensoExo ist als Unterstützungssystem für sensomotorische Handbeeinträchtigungen konzipiert.
Die klinische Studie umfasste 14 Patient:innen mit Handbeeinträchtigungen infolge von Hirn- oder Rückenmarksverletzungen. Ziel war es, die Wirkung eines tragbaren neurorobotischen Systems auf Fingerbeweglichkeit, Tastwahrnehmung und Greifkontrolle zu prüfen. Die Untersuchung verglich drei Versuchsbedingungen und führte ergänzende funktionelle Tests an sperrigen und fragilen Objekten durch.
Die Mitteilung weist darauf hin, dass es sich um frühe klinische Evidenz handelt und dass künftige Untersuchungen mit größeren Patient:innengruppen, die spezifischer nach Art und Schweregrad ihrer Symptome gruppiert werden, nötig sind, um die Robustheit der Effekte und mögliche längerfristige Einbindungen in Rehabilitation und Alltag zu beurteilen.
SensoExo ist ein tragbares neurorobotisches System, das ein Hand-Exoskelett mit einer individuell angepassten Neurostimulationsmanschette kombiniert. Sensoren an den Fingern erfassen Berührung und Greifkraft; diese Informationen werden genutzt, um taktile Rückmeldung über transkutane elektrische Nervenstimulation zu erzeugen und gegebenenfalls funktionelle elektrische Stimulation zur Unterstützung der Fingerbewegung einzusetzen.
Leitend war ein Forschungsteam um Stanisa Raspopovic am Zentrum für Medizinische Physik und Biomedizinische Technik der Medizinischen Universität Wien. Partnerinstitutionen waren die ETH Zürich, die Technische Universität München und die Medizinische Fakultät Belgrad; namentlich werden in der Mitteilung auch Lorenzo Masia (TUM), Olivier Lambercy (ETH) und Ljubica Kostadinovic (Belgrad) genannt.
Insgesamt wurden 14 Patient:innen mit sensomotorischen Handbeeinträchtigungen untersucht. Die Studie verglich drei Bedingungen (keine Unterstützung, Exoskelett allein, kombinierte Anwendung) und acht Teilnehmende absolvierten zusätzliche Greif- und Loslassaufgaben mit sperrigen sowie fragilen Objekten.
Nach Angaben der Forschenden unterstützte das System Fingerbeweglichkeit, Tastwahrnehmung und Greifkontrolle. Die Kombination aus Exoskelett und Neurostimulation bot gegenüber dem Exoskelett allein zusätzliche Vorteile, insbesondere bei Patient:innen mit schwerer motorischer Einschränkung und bei solchen mit Sensibilitätsverlust.
Nein. In der Mitteilung betont Stanisa Raspopovic: „Die Technologie ist derzeit noch ein Prototyp und kein vollständig entwickeltes Medizinprodukt für den Alltag.“ Die Studie liefert nach Angaben der Autor:innen frühe klinische Evidenz, weitere Untersuchungen sind vorgesehen.
Die Mitteilung nennt als nächsten Schritt künftige Untersuchungen mit größeren Patient:innengruppen, die spezifischer nach Art und Schweregrad ihrer Symptome gruppiert werden sollen. Diese Untersuchungen sollen helfen, die Robustheit der beobachteten Effekte zu bestimmen und zu beurteilen, in welchem Ausmaß solche Systeme langfristig in Rehabilitation und Alltag integriert werden können.
Publikation: Science Advances – Combining neural stimulation and exoskeletons to improve sensorimotor hand function following brain or spinal cord injury. Autor:innen und DOI: Andrea Cimolato et al., 10.1126/sciadv.ady3144.
Kontakt: Medizinische Universität Wien, Mag. Johannes Angerer, Leiter Unternehmenskommunikation. Telefon: +43 1 40160-11501. E-Mail: presse [at] meduniwien.ac.at. Website: https://www.meduniwien.ac.at