Hirnsignale steuern Exoskelett – Patient mit Tetraplegie kann sich eingeschränkt bewegen – ein praxistauglicher Ansatz?

Michael van den Heuvel

Interessenkonflikte

11. Oktober 2019

Neurologen implantierten einem Patienten mit Tetraplegie 2 Geräte zur Elektrokortikografie (ECoG) auf die harte Hirnhaut. Mit seinen Gedanken konnte der Querschnittgelähmte nicht nur einen Video-Avatar bewegen, sondern auch ein Exoskelett steuern.

Das Follow-up lief über 2 Jahre, wobei Modelle zur Dekodierung von Gehirnsignalen bis zu 7 Wochen ohne Neukodierung des Geräts funktionierten. Das berichten Prof. Dr. Alim Louis Benabid von der University of Grenoble Alpes und seine Kollegen in The Lancet Neurology[1].

„Es ist neu, dieses ECoG-Gerät im Menschen implantiert zu sehen. Und das sogar gleich zweimal bei einem Patienten – links und rechts, was sicher ein Novum ist“, kommentiert Prof. Dr. Gernot R. Müller-Putz, Leiter des Instituts für Neural Engineering, Technische Universität Graz, gegenüber dem Science Media Center (SMC). „Neu ist auch, die mehrdimensionale Kontrolle pro Arm abzuleiten und zu dekodieren – egal, ob das der Video-Avatar oder das Exoskelett ist. Das haben wir bisher noch nicht gesehen.“

 
Meines Erachtens ist es wichtig, diesen Schritt in der Forschung zu machen, aber diese Anwendung ist noch weit davon entfernt, klinisch relevant zu sein. Prof. Dr. Gernot R. Müller-Putz
 

Müller-Putz weiter: „Zur Performance des Systems kann ich wenig sagen. Der Patient erzeugt schon viele falsch-positive Bewegungen des Exoskeletts.“ Im Artikel sei die Leistung des Systems „sehr dünn dargestellt“.

Doch was bedeuten die Ergebnisse für die Praxis? „Meines Erachtens ist es wichtig, diesen Schritt in der Forschung zu machen, aber diese Anwendung ist noch weit davon entfernt, klinisch relevant zu sein“, ergänzt der Kommentator. „Ich glaube, dass man mit einfacheren Geräten gerade diesem hier präsentierten Patienten besser hätte helfen können. Ich wage außerdem zu bezweifeln, dass das Gehen für einen Tetraplegiker die wichtigste Funktion ist.“ Der Rollstuhl erweise sich nach wie vor als gute Option. Generell sieht er in der Methode große Potenziale, wobei weitere Studien erforderlich seien.

Derzeit kein Nutzen für Patienten

„Prinzipiell steht der Wunsch, wieder laufen zu können, bei allen frisch  Querschnittgelähmten an oberster Stelle“, sagt Dr. Mirko Aach gegenüber dem SMC. Er ist Leiter der Abteilung für Rückenmarksverletzte am Universitätsklinikum Bergmannsheil Bochum und seit einem Sportunfall selbst auf den Rollstuhl angewiesen.

Zahlreiche Studien zeigten, dass Begleiterscheinungen der Querschnittlähmung – wie fehlende Sensibilität, Blasen- und Mastdarmstörungen und Schmerzen, Druckstellen sowie Spastik – größere Einschränkungen im Alltag mit sich brächten. „Insofern ist eine invasive experimentelle Studie zur Wiederherstellung der Bewegung der 4 Extremitäten im Rahmen des Exoskeletts rein wissenschaftlich hoch interessant, aber ohne jeden funktionellen Nutzen für den querschnittsgelähmten Studienteilnehmer“, ergänzt der Experte.

„Mit Beendigung der Studie hat sich an der ursprünglichen Lähmungssituation nichts verändert; die maßgeblichen Einschränkungen durch eine Querschnittlähmung sind in keiner Weise Gegenstand der Studie gewesen.“

Nach dem wissenschaftlichen Erkenntnisgewinn gefragt, erklärt Aach: „Die Ergebnisse der Arbeit sind dahingehend neu, dass ein von den Halswirbeln abwärts gelähmter Patient über epidural implantierte Elektroden ein Exoskelett für alle 4 Extremitäten mit seinen Hirnströmen steuern und zusätzlich über dieses System im häuslichen Umfeld einen visuellen Avatar zu Trainingszwecken nutzen kann.“

 
Die maßgeblichen Einschränkungen durch eine Querschnittlähmung sind in keiner Weise Gegenstand der Studie gewesen. Dr. Mirko Aach
 

Es handele sich aber um eine Proof-of-concept-Studie, die keine Möglichkeiten des flächendeckenden Einsatzes eröffne. Auch die Risiken einer epiduralen Implantation seien nicht zu unterschätzen.

Brain-Computer-Interface steuert Exoskelett

Doch der Bedarf an Hilfsmitteln für Patienten mit Tetraplegie ist hoch. Allein in Deutschland erleiden jährlich etwa 1.800 Menschen neu eine Querschnittlähmung, oft aufgrund von Verkehrs- oder Sportunfällen. Bei der Verletzung des Halswirbels werden etwa 20% der Patienten tetraplegisch mit teilweiser oder vollständiger Lähmung aller Gliedmaßen. Ob hier Brain-Computer-Interfaces die Situation verbessern, wird an der University of Grenoble Alpes schon länger untersucht.

Der 28-jährige Patient in der Studie war aufgrund einer C4-C5-Rückenmarksverletzung von den Schultern abwärts gelähmt, mit nur wenig Bewegung im Bizeps und im linken Handgelenk. Er konnte einen Rollstuhl per Joystick bedienen.

Bei ihm wurden 2 Geräte zur Aufnahme von Signalen implantiert, und zwar auf beiden Seiten des Kopfes zwischen Gehirn und Haut, um den sensomotorischen Kortex zu erreichen. Jeder dieser Rekorder arbeitete mit einem Raster aus 64 Elektroden, die Hirnsignale erfassten und an einen Algorithmus zur Dekodierung übermittelten. Dieses System übersetzte neuronale Impulse in extern nutzbare Ströme, um ein Exoskelett zu steuern.

Ein 2. Patient wurde wegen technischer Probleme ausgeschlossen.

Studie zeigt Fortschritte über 24 Monate

Während der 24-monatigen Studiendauer führte der Patient verschiedene mentale Aufgaben durch, um den Algorithmus zu trainieren und die Anzahl der externen Bewegungen zu erhöhen. Dazu gehörte das Ansteuern eines virtuellen Avatars wie beim Computerspiel. Danach wurden die Signale auf ein Exoskelett übertragen. 

Benabid und seine Kollegen definierten als Outcome, wie viele Freiheitsgrade ihr Patient bei Aufgaben erreichen konnte: vom Betätigen eines hirngesteuerten Schalters per ECoG über das Gehen bis hin zum Berühren von 2- oder 3-dimensionalen Objekten. Das Exoskelett hatte 14 Gelenke und damit 14 Freiheitsgrade.

 
Unsere Ergebnisse könnten uns dem Ziel, bei tetraplegischen Patienten Computer mit Hirnsignalen zu steuern, einen Schritt näherbringen. Prof. Dr. Stephan Chabardes
 

Der Studienteilnehmer verbrachte 45 Tage im Labor, um die Bedienung des Systems zu erlernen. Dann folgte eine 95-tägige Phase zu Hause – hier ging es um das Training anhand des Avatars.

Seine Aufgaben waren, den Gehirnschalter zu aktivieren, um einen Spaziergang im Videospiel zu starten, und per Avatar virtuell spazieren zu gehen. Danach sollte er das Exoskelett, es war an einer flexiblen Halterung an der Decke befestigt, bewegen.

Sein Erfolg wurde u.a. daran gemessen, wie oft es ihm gelungen ist, den Schalter virtuell zu betätigen. 2 Monate nach der Operation war er in 6 Sitzungen mit dem Exoskelett in 73% der Fälle erfolgreich. Mit Avatar, Videospiel und Exoskelett kombiniert, legte er insgesamt 145 Meter mit 480 Schritten in 39 Sitzungen zurück – wobei es sich hier um Messwerte handelt; das Exoskelett blieb an Ort und Stelle.

Ihm gelang es, 5 Monate nach Studienbeginn mit der Hand in 3 Dimensionen Würfel zu greifen. Nach 16 Monaten war dies mit beiden Händen möglich, was Bewegungen in 8 Dimensionen entspricht, einschließlich der Drehung beider Handgelenke. Diese Aufgaben wurden mit einer Erfolgsquote von 71% absolviert.

In den 24 Monaten der Studie musste das System bis zu 7 Wochen lang nicht neu kalibriert werden, was zeigt, dass es für den täglichen Gebrauch über einen längeren Zeitraum geeignet sein kann. Postoperativen Komplikationen durch die Implantate traten nicht auf.

„Unsere Ergebnisse könnten uns dem Ziel, bei tetraplegischen Patienten Computer mit Hirnsignalen zu steuern, einen Schritt näherbringen – vielleicht, um Rollstühle per Gehirnaktivität anstelle von Joysticks zu steuern“, sagt Prof. Dr. Stephan Chabardes, Neurochirurg vom CHU Grenoble-Alpes und Studienautor, in einer Pressemitteilung der Zeitschrift. Bewegliche Exoskelette hält er mittelfristig für umsetzbar; 3 weitere Patienten wurden für Folgestudien bereits rekrutiert.

Eine Option nur für reiche Länder?

Prof. Dr. Tom Shakespeare von der London School of Hygiene and Tropical Medicine schreibt in einem begleitenden Kommentar [2]: „Eine Besonderheit dieser Studie ist die Kontrolle aller 4 Gliedmaßen, während in den meisten früheren Studien nur eine Extremität kontrolliert wurde.“ Autonomes Gehen mit Gleichgewicht sei auch hier nicht möglich gewesen. „Obwohl diese Studie einen willkommenen und spannenden Fortschritt darstellt, dürfen wir nicht vergessen, dass wir weit von klinischen Anwendungen entfernt sind.“

 
Obwohl diese Studie einen willkommenen und spannenden Fortschritt darstellt, dürfen wir nicht vergessen, dass wir weit von klinischen Anwendungen entfernt sind. Prof. Dr. Tom Shakespeare
 

Shakespeare: „Selbst, wenn die Methode jemals klinisch praktikabel wird, führen finanzielle Einschränkungen dazu, dass Hightech-Optionen den meisten Menschen auf der Welt mit Rückenmarksverletzungen nie zur Verfügung stehen werden.“ Analyse zufolge hätten weltweit nur 15% der behinderten Menschen Zugang zu Rollstühlen oder anderen Hilfsmitteln.
 

Kommentar

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