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Phantomschmerzen automatisch lindern

An der School of Engineering entwickeln Forschende ein Therapiegerät für Amputationspatienten. Wer unter Phantomschmerzen leidet, soll mit dem Gerät künftig selbständig zuhause trainieren können.

Die Rehaklinik Bellikon ist auf Unfallpatienten spezialisiert. Die Klinik im Aargau behandelt pro Jahr rund 60 Patienten mit frischen Amputationen. Viele davon leiden unter sogenannten Phantomphänomenen wie Phantomgefühlen oder gar Phantomschmerzen. Der Grund dafür liegt im Gehirn, wo der amputierte Körperteil eine Lücke in der Gehirnrinde hinterlässt. «Diese Lücke bleibt nicht leer, sondern wird wieder gefüllt», erklärt Thomas Koller, Physiotherapeut an der Rehaklinik Bellikon. «Entweder breiten sich benachbarte Gebiete darauf aus, so dass bestimmte Körperbereiche empfindlicher werden, oder aber die Lücke wird von neuen, neuronalen Verbindungen vereinnahmt, welche Schmerzen aussenden können.» Zur Therapie solcher Phantomschmerzen existieren unterschiedliche Behandlungsmethoden. Eine davon ist die Zweipunktdiskrimination (ZPD), die auch Thomas Koller anwendet.

«Wir haben die bestehende Therapiemethode nicht verändert, sondern einfach automatisiert.»

Daniel Baumgartner, Institut für Mechanische Systeme

«Remapping» des Gehirns

Die Therapie mittels ZPD setzt auf taktile Reize, also die Wahrnehmung von Berührungen auf der Hautoberfläche. Dazu benutzt der Therapeut einen klassischen, mechanischen Messschieber aus Metall, auch Schiebelehre genannt. Direkt am Stumpf drückt er die Messschenkelspitzen in unterschiedlichen Abständen auf die Haut des Patienten. Der Patient muss dabei ohne Blickkontakt sagen, ob er zwei oder nur eine Metallspitze spürt. «Je enger sich die Metallspitzen beieinander befinden, desto schwieriger ist die Wahrnehmung für den Patienten», so Koller. «Aber je häufiger die Reize gesetzt werden, desto grösser ist die Chance auf eine Verbesserung – das ist quasi ein Remapping des Gehirns.» Der Nachteil dieser an sich sehr einfach auszuführenden Therapieform: Der Patient ist auf fremde Hilfe angewiesen, weil er die Reize nicht selber setzen kann. Gemeinsam mit der ZHAW School of Engineering entwickelt die Rehaklinik Bellikon nun ein automatisiertes Therapiegerät, mit dem Patienten selbständig und ortsungebunden die ZPD ausführen können.

Patienten geben auf dem Tablet-Computer ein Feedback ab, was genau sie gespürt haben.
Patienten geben auf dem Tablet-Computer ein Feedback ab, was genau sie gespürt haben.
Noch sind die Aktuatoren zu gross: Daniel Baumgartner und sein Team werden den Prototyp leichter und kompakter gestalten.
Noch sind die Aktuatoren zu gross: Daniel Baumgartner und sein Team werden den Prototyp leichter und kompakter gestalten.
Der kompaktere Prototyp für den Armstumpf verfügt über 24 Aktuatoren, während es für den Beinstumpf deren 48 sind.
Der kompaktere Prototyp für den Armstumpf verfügt über 24 Aktuatoren, während es für den Beinstumpf deren 48 sind.

Metallstifte setzen Reize

Verantwortlich für die Entwicklung eines solchen Geräts ist Daniel Baumgartner, Schwerpunktleiter für Biomechanik am Institut für Mechanische Systeme (IMES). Zwei Prototypen hat sein Team in Zusammenarbeit mit Studierenden bereits gebaut: einen für den Beinstumpf und einen für den Armstumpf. «Unser Gerät lässt sich wie eine Art Haube über den Stumpf ziehen», erklärt Baumgartner. «An dieser Haube sind elektrische Aktuatoren befestigt, 48 beim Prototyp fürs Bein und 24 beim Prototyp für den Arm.» Im Innern dieser Aktuatoren befindet sich jeweils ein Metallstift, der dem Patienten für eine Sekunde auf die Haut drückt, wenn der Aktuator das entsprechende Signal dazu erhält. Über eine Steuerungssoftware werden je zwei Aktuatoren zufällig ausgewählt und setzen den Reiz. «Die Software ist dabei so clever programmiert, dass die Reizpunkte und Abstände stets anders ausfallen, aber tendenziell immer kleiner werden und so den Patienten immer mehr fordern», so Baumgartner. Der Patient gibt gleichzeitig auf dem Tablet-Computer sein Feedback ab, ob er einen oder zwei Punkte gespürt hat. Doch dabei will es Baumgartner nicht belassen: «Wir wollen die Software dahingehend weiterentwickeln, dass der Patient auch lokalisieren kann, wo genau er die Reizpunkte gespürt hat. Denn offenbar fördert diese Zusatzaufgabe die Effizienz der Therapie.»

Selbständig zuhause therapieren

Mit dem Trainingsgerät lässt sich die Therapie beliebig oft wiederholen – selbständig und von zuhause aus. «Wir haben die bestehende Therapiemethode nicht verändert, sondern einfach automatisiert», so Baumgartner. Thomas Koller hat eine erste Single Case Studie mit einem Patienten durchgeführt – mit erfolgversprechendem Feedback: «Der Patient äusserte sich positiv zum Handling», so Koller. «Er konnte das Gerät problemlos selbständig anwenden.» Daniel Baumgartner und sein Team werden den Prototyp nun noch leichter und kompakter gestalten. Das ist der nächste Schritt hin zu einem serienreifen Gerät, das die Rehaklinik Bellikon dann ihren Patienten leihweise mit nach Hause geben wird, um die Phantomschmerzen selbständig zu therapieren.

Auf einen Blick

Beteiligte Institute und Zentren:
Institut für Mechanische Systeme (IMES)

Projektpartner & Finanzierung:
Reha-Klinik Bellikon

Projektdauer: 2017 – 2019