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Kamerasystem Bildverarbeitung macht nach einem Schlaganfall wieder beweglich

| Redakteur: Ines Stotz

Weltweit erleiden jährlich etwa 17 Mio. Menschen einen Schlaganfall. Bei rund 80 Prozent der Patienten verbleibt im Anschluss eine Hemiparese, die halbseitige Lähmung der oberen oder unteren Extremitäten. Ein vielversprechender Ansatz mit optischem Tracking verspricht bessere Rehabilitation.

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Zwei Kameras verleihen dem Roboter Augen. Damit kann er den gelähmten Arm synchron zu den Bewegungen des gesunden Arms steuern.
Zwei Kameras verleihen dem Roboter Augen. Damit kann er den gelähmten Arm synchron zu den Bewegungen des gesunden Arms steuern.
(Bild: Framos )

Eine der häufigsten Rehabilitationsmaßnahmen nach einem Schlaganfall ist die Spiegeltherapie, bei der versucht wird die Bewegungen der gesunden Körperseite auf die zu rehabilitierenden Körperteile der anderen Seite zu projizieren. Die Bewegungen werden repetitiv durchgeführt mit dem Ziel, dass anstelle der geschädigten Neuronen andere Bereiche des Gehirns die Motorikmuster erlernen und übernehmen. Durch diese Therapieform wird der Selbstreparaturmechanismus des Gehirns signifikant beschleunigt. Aktuelle Forschungsergebnisse zeigen, dass für eine schnellere Rehabilitation und eine bessere Heilungschance der Patient während der Therapie möglichst aktiv involviert werden sollte. Bisherige Systeme arbeiten jedoch meist induktiv in festen Bewegungsbahnen und berücksichtigen die natürlichen Bewegungen eines Menschen nur unzureichend. Entweder wird dem Patienten an die gelähmte Gliedmaße ein Exoskelett angelegt oder er trainiert an einem festgelegten Aufbau mit Joystickkontrolle.

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OTS Tracking System bindet Patienten aktiv ein

Bildverarbeitungsspezialist Framos hat mit seiner Technologie des Optical Tracking Systems (OTS) eine Anwendung entwickelt, mit deren Hilfe die Spiegeltherapie mit natürlichen Bewegungen und unter aktiver Einbindung des Schlaganfallpatienten ermöglicht wird. Das OTS ist in der Lage, die Positionierung und Orientierung eines Objekts im dreidimensionalen Raum zu messen. Die gesunde Seite des Patienten wird dabei mit einem Kamerasystem überwacht und jede feinste Bewegung auf einen Roboterarm übertragen, der mit dem zu therapierenden Körperteil verbunden ist. Das Kamerasystem wird auf dem Roboterarm montiert und mitbewegt.

„An der gesunden Gliedmaße befinden sich retroreflektive Marker, die vom Kamerasystem beobachtet werden. Sie werden sehr einfach platziert, indem man dem Patienten beispielsweise einen Ärmling überstreift, auf dem sich die Marker befinden“, erläutert Benjamin Busam, Forschungsingenieur bei Framos, der zusammen mit Dr. Simon Che’Rose, Head of Imaging Systems, das System entworfen hat. „Analog zum menschlichen Sehen können zwei Kameras Tiefe wahrnehmen und die genauen Positionen der angebrachten Marker bestimmen. Diese Informationen werden dazu verwendet um dem Roboterarm mitzuteilen, wie sich der gesunde Körperteil des Patienten bewegt. Damit wird selbst bei kleinsten Bewegungen die Position des Arms berechnet und auf den Roboterarm übertragen, der die Bewegungen des gesunden mit dem gelähmten Körperteil nachvollzieht.“ Durch Repetition erlernt die vom Schlaganfall betroffene Gehirnhälfte die Bewegung neu.

Algorithmik berechnet Echtzeitbewegung

Kern des Systems ist die von Framos entwickelte Algorithmik. Sie berechnet, wo und wie sich der Roboter bewegen muss, damit er in gleichem Abstand zum anderen Arm bleibt. Der Berechnungszyklus läuft mit einer Geschwindigkeit von 25 Hz und realisiert zusammen mit einer Systemlatenz von weniger als 320 Millisekunden praktisch eine Echtzeitreaktion, die als natürliche Bewegung wahrgenommen wird. „Ein weiterer großer Vorteil der OTS-Technologie ist die Toleranz, weil sich die aufgebrachte Markerkonfiguration durch die Muskelbewegung während des Beobachtungsvorgangs zwangsläufig verzerrt. Die intrinsische Systemalgorithmik ist jedoch in der Lage, diese Verzerrung auszugleichen und weiter konsequent zu übermitteln, wo sich der Körperteil befindet. Dies ist ein klarer Vorsprung unseres Systems und verdeutlicht die Kernkompetenz von Framos bei der OTS-Technologie“, betont Benjamin Busam. Ein wesentliches weiteres Merkmal des Systems ist zudem die „Eye-on-Hand“-Lösung, bei der anders als bei fest im Raum installierten Kameras die „Augen“ des Systems am Roboterarm mitgeführt werden, was bislang in der Bewegungstherapie kaum möglich war.

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