Arbeitsgruppe Rehabilitation­stechnik

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Zur Therapie der Wirbelsäulenverkrümmung Skoliose bei Heranwachsenden gehört die Korsettversorgung. Neben den körperlichen Beschwerden, die aus dem permanenten Eingezwängtsein des Rumpfes in einer starren Kunststoffschale resultieren, empfinden viele Jugendliche die kosmetische Beeinträchtigung als besonders belastend. Das MBrace-Projekt zielt darauf ab, durch ein innovatives Korsettdesign das Wohlbefinden der jungen Patienten zu verbessern.

Diese Maßnahme ist Teil des M-ERA.Net Projektes MBrace und wird mitfinanziert mit Steuermitteln auf Grundlage des vom Sächsischen Landtag beschlossenen Haushaltes mit einer Laufzeit vom 01.06.2022 – 31.05.2025. Es vereinigt Materialwissenschaftler, Ingenieure, Konstrukteure, Designer und Mediziner aus Belgien, Polen und Sachsen in einem Konsortium.

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Die Erforschung neuer Multi-Matrix-Verbundwerkstoffe (MMC) stellt einen Schwerpunkt des Projekts dar. Mit der Implementierung von Festkörpergelenken in Multi-Matrix-Verbundbauweise in das Korsett wird erstmals eine Beugung des Rumpfes möglich. Die Konstruktion feingliedriger Stützstrukturen dank der neu entwickelten Werkstoffe und Herstellungsverfahren ermöglichen eine bessere Luftzirkulation und verringern Scheuerstellen. Der Einsatz von Leichtbauwerkstoffen führt zu einer deutlichen Gewichtsreduktion des Korsetts.

Neu entwickelte dynamische Methoden zur biomechanischen Bewertung der Orthese ermöglichen es, das Korsett am Patienten in Bewegung anzupassen. Dies spiegelt das alltägliche Tragen deutlich realitätsnäher wider.

Je nach individueller Präferenz kann die Sichtbarkeit des Korsetts entweder reduziert oder auf modische Weise hervorgehoben werden. Auf diese Weise erhält das Korsett das Potential, sich von einer störenden Fixiervorrichtung hin zu einem modischen Accessoire zu wandeln. Gleichzeitig wird die Compliance in einem Alter, in dem viele Jugendliche größten Wert auf ihre äußere Erscheinung legen, deutlich erhöht.

Weitere Informationen zum Projekt finden Sie unter http://m-brace.eu/home/.

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Die Früherkennung von Haltungsauffälligkeiten im Jugendalter und eine frühzeitige therapeutische Intervention wirken der Ausprägung eines strukturellen Haltungsschadens entgegen. Eine automatisierte gerätetechnische Screeningmethode kann als Früherkennungssystem fungieren. Das in Vorgängerprojekten entwickelte Konzept der Torsobarographie wird im Projekt TORBi gemeinsam mit Industriepartnern zu einem markttauglichen Medizinprodukt weiterentwickelt. 

Das Projekt wird von der AiF im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM) vom BMWK gefördert und hat eine Laufzeit vom 01.04.2021 bis zum 31.03.2023.

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Die Konzeption des Messsystems basiert auf der Übertragung morphologischer Strukturen des Rückens im Liegen. Die Datenakquise erfolgt mit einer kapazitiven Sensormatte nach einer standardisierten Messprozedur - der sog. Torsobarographie. Das Rückenprofil wird anhand ausgewählter Parameter hinsichtlich Asymmetrien ausgewertet. Diese können einen Hinweis auf Haltungsauffälligkeiten wie auch auf Wirbelsäulenerkrankungen geben.

Die Datenbasis bilden Haltungsmessungen an 1200 Probanden, die sowohl gerätetechnisch als auch klinisch von Experten untersucht wurden. Dieses diagnostische Leistungsvermögen wird gebündelt und in einen effizienten Algorithmus eingebettet. Die automatische Auswertung ermöglicht die Bedienung durch geschulte Laien. Damit kannn die Diagnosematte in flächendeckenden Früherkennungsuntersuchungen, z.B. an Schulen eingesetzt werden.

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Patienten mit Gelenkbeschwerden wird häufig Rehasport verschrieben. In Gruppentherapie durchgeführt, kann jedoch die individuelle Ursache der Beschwerden nicht berücksichtigt werden. Die angestrebte Schmerzlinderung ist daher meist begrenzt. In der Konsequenz führt dies zu weiteren Arztbesuchen und Folgeverordnungen.

Die Übungen patientenindividuell anzupassen und die Trainingshäufigkeit zu steigern, ist weder vom personellen noch vom finanziellen Aufwand zu stemmen. Eine Lösung bietet die gerätetechnische Betreuung des Patienten bei seinem Training. Im Projekt entsteht ein intelligentes, multisensorisches System zur Bewegungsanalyse, das als virtueller Therapeut fungiert.

Im ersten Schritt erarbeitet der Patient mit seinem Physiotherapeuten ausgewählte Übungen, die multisensorisch aufgezeichnet werden. Die Bewegungen werden mittels KI sowie Signalverarbeitung analysiert und hinterlegt. Das intelligente Modell fungiert als Echtzeitfeedbacksystem, das den Therapiefortschritt registriert und den Schweregrad der Übungen entsprechend anpasst. Diese verschafft dem Patienten die Möglichkeit, seine Rehabilitation selbstständig, ortsungebunden und mit der notwendigen Intensität durchzuführen.

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Das Projekt wird mit einer Laufzeit vom 01.01.2023 – 31.12.2024 von der AiF im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM) vom BMWK gefördert.

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Der Trend, sich mit Hilfe von Gesundheits-Apps fit zu halten, ist seit der Pandemie größer denn je. Laut Statista nutzen bereits 38 % der Deutschen Apps für Sportübungen zu Hause (2021). Die haptische Anleitung eines Trainers bzw. Therapeuten zur korrekten Durchführung der Übung kann jedoch eine App nicht bieten. Diese Lücke möchte veiio durch intelligente Kleidung schließen. Mit integrierter Sensorik und Aktorik ausgestattet, unterstützt sie den Benutzer mit Hilfe von vibrotaktilem Feedback bei der Durchführung von Physiotherapieübungen.

Ziel des Forschungsvorhabens ist, einen digitalen Physiotherapie-Assistenten bis hin zur Marktreife zu entwickeln. Es wird ein Expertensystem entwickelt, das die Körperhaltung während der Übungen beurteilt und in Echtzeit Feedback gibt. Als Ergebnis entsteht eine Proof-of-Concept Sudie mit dem veiio Shirt am Beispiel von Rückenbeschwerden.

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Das veiio-Team besteht aus Experten in der Entwicklung menschzentrierter Produkt-Service-Systeme, der Physiotherapie, der Elektrotechnik sowie der KI-gestützten Datenauswertung. Das Spin-off wird im Rahmen des Forschungs-Hubs 6G-life und dem Exzellenzcluster CeTI ausgegründet. Prof. Frank Fitzek (Leiter des Deutsche Telekom Chair of Communication Networks sowie der o.g. Cluster, TUD) und Prof. Jens Krzywinski (Professur für Technisches Design, TUD) sind Mentoren des Projekts. Zudem besteht eine Kooperation mit dem WirbelsäulenCentrum des Carl-Gustav-Carus Universitätsklinikum Dresden.

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Gefördert vom Else Kröner Fresenius Center for Digital Health (EKFZ)

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Ein im Ausland erfolgreiches Gerät zur Skoliosetherapie auf den neuesten Stand der Technik zu bringen und zugleich nutzerfreundlicher zu konzipieren, war das Ziel des Projekts KATi. Das Besondere: Die jungen Patienten sollten von Beginn an in den Designprozess einbezogen werden. Schließlich sind sie es, die Tag für Tag mit diesem Gerät umgehen.

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Im allgemeinen werden Jugendliche in der Medizinprodukteentwicklung fast vollständig übergangen mit der Folge, dass sie mit Geräten umgehen müssen, die entweder für Kinder oder für Erwachsene konzipiert wurden. Aus diesem Grund wurde vom BMBF ein Förderprogramm aufgelegt, in dessen Rahmen das KATi-Projekt von 05/2019 bis 10/2021 finanziert wurde.

125.000 Heranwachsende sind in Deutschland von einer behandlungsbedürftigen Form der adoleszenten Skoliose betroffen. Die gerätegestützte FED-Therapie zeigt im Ausland gute Erfolge, ist aber in Deutschland so gut wie unbekannt. Die Weiterentwicklung des Geräts zu einem Therapieroboter war das Ziel des Konsortiums bestehend aus den Forschungseinrichtungen IBMT der TU Dresden und dem Institut für Physiotherapie (IfPT) der Universität Jena sowie den Industriepartnern DIERS International GmbH und EvoSense Research & Development GmbH.

Aufgabe des IBMT war, des Roboter um ein Haltungsmonitoring zu erweitern, das Patient und Therapeut Feedback gibt. In eine Spielumgebung eingebettet, trägt es zur aktiven Mitarbeit des Patienten bei. Ein kamerabasiertes Messsystem detektiert nun die Wirbelsäulenhaltung während der Therapie und bewertet sie mithilfe von Machine Learning in Echtzeit.

Die Sportwissenschaftler der Universität Jena entwickelten ein altersübergreifend wirksames Therapiekonzept rund um die robotergestützte Behandlung, das sich ökonomisch sinnvoll in den Praxisalltag implementieren lässt.

Ein besonderes Anliegen der jungen Patienten war die Vermeidung einer plötzlichen Ohnmacht (Synkope). Zu ihr kommt es häufig aufgrund der körperlichen und mentalen Belastung im Gerät. Im Projekt ist ein Aufklärungsvideo entstanden, das die Patienten ermächtigt, über die Erkennung von Frühzeichen Gegenmaßnahmen zu ergreifen. 

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Das Herzstück des Projekts bildeten jedoch Workshops mit jungen Skoliosepatienten. In drei dreitägigen Workshops arbeiteten Ingenieure und Designer mit den Patienten zusammen, um deren Wünsche und Bedürfnisse in realisierbare Konzepte zu überführen. Aus diesen Erfahrungen ist ein Handbuch entstanden als Anregung für alle, die künftig jugendlichen Patienten in ihre Medizinprodukteentwicklung einbeziehen wollen.

Weiterführende Informationen:

https://healthcare-in-europe.com/de/news/forschung-intelligente-therapie-geraete-fuer-skoliosebehandlung.html

Publikationen:

Nisser, J.; Smolenski, U.C.; Śliwiński, G.E. et al.: Skoliosespezifische Physiotherapie bei Patienten mit idiopathischer Adoleszentenskoliose (AIS) – ein narratives Review. Physikalische Medizin, Rehabilitationsmedizin, Kurortmedizin 2018; 28(02): 88-102. © Georg Thieme Verlag KG Stuttgart · New York DOI: 10.1055/s-0043-124472

Schumann, P.; Heinke, A.; Jochim, T.; Lieberknecht, T.; Nisser, J.; Derlien, S.; Śliwiński, Z.; Malberg, H.; Śliwiński, G.: Artificial Intelligence To Evaluate The Short-term Progress Of Device Assisted Scoliosis Therapy On The Example Of FED Method. Delta University Scientific Journal. Article 4, Volume 3, Issue 2, September 2020, Page 33-45. DOI: 10.21608/dusj.2020.205877

Werner, M.; Rietze, J.; Ullrich, M.; Sliwinski, G. et al: Entwicklung eines modernen, kindgerechten FED-Therapiegerätes. Conference Paper. 5. Dresdner Medizintechnik Symposium 2014. Dresdner Medizintechnik Symposium 2014.

Ca. 80 % der Schulkinder in Deutschland weisen Anzeichen einer Haltungsschwäche auf. 125.000 Heranwachsende sind von der Wirbelsäulenverkrümmung Skoliose betroffen. Eine frühzeitige Diagnose und Intervention tragen dazu bei, Beschwerden, die meist erst im Erwachsenenalter auftreten, zu verhindern. Allen voran das Volksleiden Nr. 1 – Rückenschmerzen.

Bei der Frühdetektion anzusetzen, war das Ziel des Projekts Gesunde Kinder – Gesundes Europa. Große Wissenschaft für kleine Patienten – WiP. Es wurde ein Screeningverfahren entwickelt, das haltungsgesunde von haltungsauffälligen Kindern unterscheidet.

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Das Projekt wurde von der Europäischen Union im Rahmen des INTERREG-Programms Polen-Sachsen 2014-2020 gefördert.

Laufzeit: März 2017 - Februar 2020

Projektpartner: Rehabilitationsklinik SPZOZ Zgorzelec, Polen

1200 Kinder im Alter zwischen 7 und 13 Jahren wurden innerhalb dieses und seines Vorgängerprojekts (2011-14) auf ihre Haltungsgesundheit untersucht.

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Mit der Torsobarographie ist ein innovatives Messverfahren einer computergestützten Analyse der Körperhaltung entstanden. Die Probanden wurden gerätetechnisch und manuell untersucht. Zur Entwicklung des neuen Screeningverfahrens wurde eine Druckmessmatte verwendet, die einen Abdruck des Rückenprofils generiert. Algorithmen werten dieses Druckbild hinsichtlich Asymmetrien aus.

Als Ergebnis ist ein Datensatz der Körperhaltungsparameter bestehend aus gerätetechnischen und manuellen Untersuchungen sowie den Referenzdaten der Torsobarographie entstanden. Dieser wird seitdem vielfach verwendet – in Diplomarbeiten und Dissertationen, aber auch in den Projekten MBrace und KATi.

Das Konzept der Torsobarographie wird im Projekt TORBi – die intelligente Diagnosematte in Kooperation mit Industriepartnern zu einem Medizinprodukt weiterentwickelt. Im Ergebnis soll ein einfach zu bedienendes Gerät entstehen, das von geschulten Laien eingesetzt werden kann, z.B. von Sportlehrern an Schulen. Auf diese Weise könnten jährliche Reihenuntersuchungen organisiert werden.

Das übergeordnete Ziel des Projekts bestand jedoch darin, einen vereinheitlichten Zugang zur medizinischen Versorgung in der Europastadt Görlitz/Zgorzelec anzustoßen, um die Ressourcen der Grenzregion effizienter zu nutzen. Der Patientenmobilitätsrichtlinie 2011/24/EU entsprechend, sollten am Beispiel der Untersuchungen der Körperhaltung, die polnischen und deutschen Kindern gleichermaßen offenstand, Synergien aufgezeigt werden. Unterschiedliche Rechtsvorschriften und Abrechnungsmodalitäten verhindern jedoch bislang die praktische Umsetzung. Ein Rechtswissenschaftler erarbeitete im Projekt Möglichkeiten zur Harmonisierung der Rechtsvorschriften. Die Ergebnisse sind hier abrufbar.

Weitere Informationen: Projektbericht

Publikationen:

Koch, S.; Arnold, S.; Zeckay, R.; Sliwinski, G. et al.: Analysis of the distribution of pressure patterns in children with postural deformities. Biomed Tech 2012; 57 (Suppl. 1) © 2012 by Walter de Gruyter · Berlin · Boston. DOI: 10.1515/bmt-2012-4462

Zeckay, R.; Sliwinski, G. et al.: Identification of relevant clinical symptoms for the development of a machine-aided screening method of postural deformities. Biomed Tech 2013; 58 (Suppl. 1) © 2013 by Walter de Gruyter · Berlin · Boston. DOI 10.1515/bmt-2013-4389

Skoliose ist eine Seitverkrümmung der Wirbelsäule, die während der Wachstumsphase therapiert werden muss, um Spätschäden im Erwachsenenalter zu verhindern. Die in Deutschland angewandte Physiotherapie nach der Schroth-Methode ist kognitiv anspruchsvoll und zudem personalintensiv und kostspielig.

In Spanien und Polen zeigt die gerätegestützte FED-Therapie gute Erfolge, den jugendlichen Patienten eine physiologische Körperhaltung zu vermitteln. Diese wird vom Gerät vorgegeben und soll phasenweise vom Patienten aus eigener Kraft aufrechterhalten werden. Die verwendeten FED-Geräte weisen jedoch erhebliches Modernisierungspotential auf.  

Ziel der Projektpartner IBMT und Fraunhofer IWU war, die FED-Methode in ein Gerät zu überführen, das heutigen Anforderungen gerecht wird. Im Fokus stand die Verbesserung der Bedienerführung und die Reproduzierbarkeit der Therapie. Besonderen Wert wurde auf eine offene Bauweise des Roboters gelegt, die den Patienten nicht einengt. Die Implementierung eines Feedbacksystems mittels EMG-Signalen ermöglicht den jungen Patienten erstmals, die Qualität ihrer Mitarbeit nachzuvollziehen. Die Gamification der Übungen wirkt sich darüber hinaus motivationssteigernd aus.

Entstanden ist ein Therapieroboter mit dem Potential, sich auf dem deutschen und internationalen Markt zu etablieren.

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Für ihre Forschungsarbeiten wurde Dr.-Ing. Grzegorz Śliwiński zusammen mit Dipl.-Ing. Michael Werner vom Fraunhofer IWU mit dem Otto von Guericke-Preis 2018 der AiF ausgezeichnet.

Link: Video zum KiTS-Projekt

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Förderung: BMWi-Programm: Industrielle Gemeinschaftsforschung (IGF)

Laufzeit: KiTS 2.0: 01.10.2016 – 30.09.2018

Weiterführende Literatur:

Nisser, J.; Smolenski, U.; Sliwinski, G.E.; Schumann, P.; Heinke, A.; Malberg, H. et al.: The FED-Method (Fixation, Elongation, Derotation)a Machine-supported Treatment Approach to Patients with Idiopathic Scoliosis– Systematic Review Die FED-Methode (Fixation, Elongation, Derotation)ein gerätegestütztes Behandlungsverfahren zur Behandlung von Patienten mit idiopathischer Skoliose– systematisches Review. Z Orthop Unfall 2020; 158: 318–332. Georg Thieme Verlag KG Stuttgart, New York. DOI https://doi.org/10.1055/a-0881-3430 Published online 12.08.2019

Schumann, P.; Heinke, A.; Jochim, T.; Lieberknecht, T.; Nisser, J.; Derlien, S.; Śliwiński, Z.; Malberg, H.; Śliwiński, G.: Artificial Intelligence To Evaluate The Short-term Progress Of Device Assisted Scoliosis Therapy On The Example Of FED Method. Delta University Scientific Journal. Article 4, Volume 3, Issue 2, September 2020, Page 33-45. DOI: 10.21608/dusj.2020.205877

Śliwiński et al.: Universal brace simulation platform. Scoliosis 2014 9(Suppl 1):O55. doi:10.1186/1748-7161-9-S1-O55

Anzahl und Dauer physiotherapeutischer Anwendungen reichen nicht aus, um dauerhafte Ergebnisse zu erzielen.

Ziel des Projekts iTEX ist ein in Textil integriertes Monitoringsystem für die häusliche Anwendung zur Unterstützung von Patienten und Therapeuten bei der Bewertung der Übungsqualität.

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Das Projekt wird gefördert vom BMWi im Rahmen des  Programms Industrielle Gemeinschaftsforschung (IGF)

Laufzeit:              01.2020 – 12.2022 

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Projektpartner: Textilforschungsinstitut Thüringen Vogtland e.V. (titv), Greiz

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Erforscht wird ein Verfahren, wie sich Trockenelektroden zur Ableitung von EMG-Signalen dauerhaft in Textilgarn integrieren lassen. Es entstehen textiltechnologisch gefertigte Elektroden. Diese sind waschbar, atmungsaktiv und weisen nur einen geringen Übergangswiderstand auf. Es entsteht eine textiltechnologisch gefertigte Elektrode. Als Array integriert, entfällt die exakte Positionierung auf dem Muskel. Intelligente Algorithmen suchen sich aus einer Elektrodenmatrix das optimale Signal.

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Die einfache Handhabung ermöglicht den Einsatz als vielseitiges Medizin- und Sportprodukt für alle, die ihre Physiotherapie flexibel in den Alltag integrieren wollen. Das telemedizinisches Behandlungskonzept gibt dem Patienten die notwendige Unterstützung und dem Therapeuten die Einsicht in Quantität und Qualität der Übungsausführung.

Weitere Informationen:

https://www.titv-greiz.de/de/forschung-entwicklung/12-konkrete-projekte/462-itex-4-more-intelligente-textilien-fuer-physiotherapie-in-der-mobilen-rehabilitation

https://dechema.de/Forschung/AiF/Forschungsprojekte/Laufende+Projekte/21117+BR.html

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Die Modernisierung des FED-Geräts zur Skoliosetherapie zählt zu den Hauptanliegen der AG REHAdigital. Das im Rahmen des ZIM-Netzwerks pro-O-light Innovationen der Medizintechnik geförderte Projekt FEDi (Laufzeit 10/2018 – 09/2020) widmete sich der Entwicklung von Bionik-Hand-Aktoren.

Grundprinzip der FED-Therapie ist die mechanische Korrektur der Wirbelsäulenkrümmung durch Druckausübung und -entlastung im Brust- und Lendenbereich. Sowohl die druckausübenden Kompressionsarme als auch die Fixationsarme des bestehenden FED-Gerätes lassen sich nur in sehr begrenztem Umfang an den jeweiligen Patiententhorax anpassen. Im Projekt FEDi sollten Aktoren entwickelt werden, die sich, einer Therapeutenhand nachempfunden, präziser auf die patientenindividuellen Strukturen einstellen können. Die Lösung fand sich in nach dem Fischflossen-Effekt konstruierten Aktoren, die im 3D-Druck aus silikonbasiertem Material gefertigt werden. Dies ermöglicht erstmals eine optimale Krafteinleitung durch homogene Druckausübung. Zudem wird die Weichheit und Elastizität sowie die Beweglichkeit einer menschlichen Hand imitiert.

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Das zweite Ziel des FEDi-Projekts bestand darin, das bisher rein nach medizinisch-technischen Anforderungen konzipierte Gerät mit einen zeitgemäßen Design auszustatten. In Zusammenarbeit mit Industriedesignern wurde die käfigartige Struktur aufgebrochen und durch ein offenes Gestaltungskonzept ersetzt. Erstmals gibt eine Geräteverkleidung dem FED ein patientenfreundlicheres Äußeres. Auch die neugestalteten Aktoren tragen dazu bei, die hohe psychische Belastung der jungen Patienten zu verringern. Im Ergebnis ist ein Gerät entstanden, mit dem die Skoliosetherapie bei Jugendlichen entscheidend verbessert werden kann.

Die Diagnose und Therapie von muskulären Funktionsstörungen gehört zum Alltag der orthopädischen Rehabilitation. Die isometrische Kraftmessung ist das beste nichtinvasive Werkzeug für die objektive Diagnose von Muskelerkrankungen. Computergestützte Test- und Trainingssysteme für die Messung isokinetischer oder isometrischer Muskelkraft sind weit verbreitet, ihr Diagnosepotential jedoch bei weitem nicht ausgeschöpft.

Fortschritte auf dem Gebiet der Elektromyographie (EMG), insbesondere des Oberflächen-EMG haben den Weg für innovative Anwendungsmöglichkeiten geebnet. Hier setzt das iSAM-Kooperationsprojekt an. Die Datenfusion mechanischer, elektrischer und optischer Messsysteme zu einem patientenindividuellen Muskelmodell ermöglicht die differenzierte isometrische Kraftmessung eines einzelnen Muskels.

Für den Therapeuten wird es damit möglich, einzelne defizitäre oder überlastete Muskeln zu identifizieren. Die Therapie kann entsprechend fokussiert und die Rehabilitation intensiviert werden.

Das Projekt wurde vom BMWI im Rahmen des ZIM-Programms gefördert.

Laufzeit: 01.01.2016 - 31.12.2017