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Radfahren mit Elektrostimulation (FES cycling)

Fahrradfahren mit Querschnittlähmung auf einem Dreirad

 

Projektteam

  • Planung und Untersuchung: Dr. Dipl.-Ing. J. Szecsi
  • Leitung: Prof. Dr. A. Straube, Prof. Dr. Dr. h.c. Th. Brandt, FRCP
  • Doktoranden: S. Kott, B. Kreuzpointner, T. Millian, M. Schiller
  • Dauer des Projektes: Dezember 2006 bis November 2008


Einführung

Wir berichten über erste klinische und technische Resultate einer vorhergehenden Machbarkeits- und Optimierungsstudie welche das Fahrradfahren von Querschnittgelähmten mit Hilfe der Funktionellen Elektrostimulation (FES) betrifft. In Deutschland kommt es täglich zu Sport- und Verkehrsunfällen, welche bei den Verunglückten eine Querschnittlähmung verursachen können. Nach der, zunächst meist operativen, Erstversorgung liegt der Schwerpunkt der Betreuung auf konservativen Rehabilitationsverfahren. Leider ist bisher bei den Patienten eine komplette Wiederherstellung ihres Gesundheitszustandes im seltensten Falle möglich. So begleiten manche Therapie-Verfahren die Patienten über Jahre, manchmal sogar Jahrzehnte lang.

 

Funktionelle Elektrostimulation

3-Fes-BikerZunehmend etabliert hat sich eine elektrophysiologische Methode (Elektrostimulation), um einige gelähmte Muskeln funktionell aufrecht zu erhalten. Über auf die Haut geklebte Elektroden werden Nervenendigungen mit Strom gereizt, welche dann die von ihnen versorgten Muskelpartien zur Kontraktion bringen. Zum Beispiel kann durch geordnete, in gewisser Reihenfolge ablaufende elektrische Stimulation (FES) der Beinmuskeln eine Bewegung der gelähmten Extremitäten erfolgen, die ein Treten von Fahrradpedalen möglich machen.

Stationäres FES-Fahrradfahren am Ergometer bzw. mobiles mit einem Dreirad bringt dabei nebst hohem Freizeitwert zahlreiche Vorteile für die Patienten: Muskeltraining, Verbesserung der kardiopulmonalen Situation, Vermeiden von Sekundärkomplikationen und vieles mehr. Durch verschiedene Modifikationen der FES-Räder wie zusätzliches Einsetzen der Armkraft oder einem zuschaltbaren Motor lässt sich eine hohe Alltagstauglichkeit erreichen (siehe Bild).

 

Ziel und Motivation der Studie

CardiffWie die Erfahrung zeigte muss jedoch, um die Vorteile des FES-Fahrradfahrens auszuschöpfen, das Fahrradtraining des Querschnittgelähmten intensiviert werden. Das heißt, es müssen, zusätzlich zu dem in der Klinik zur Verfügung gestelltem Laborgerät, der häusliche Heimtrainer oder das private Dreirad an den jeweiligen Patienten angepasst werden. Die Anpassung des Gerätes und die Ermittlung des optimalen Stimulationsmusters für das jeweilige Gerät und den einzelnen Patienten erfolgt in der Regel einmal, am Anfang der Trainingsperiode.

Unser Ziel war es nun, die Kriterien für Identifikation und Ersteinstellung der Patienten zu standardisieren, um die Einstellungsarbeit zu verkürzen sowie ein unabhängiges Training in häuslicher Umgebung einer größeren Zahl von Patienten zugänglich zu machen. Die im Rahmen dieser Studie erarbeitete, neue Identifikationsmethode für das System Patient/Fahrrad (oder Ergometer), soll sowohl der Vielfalt der unterschiedlichen Geräte als auch der individuellen Patientenmerkmale Rechnung tragen. Die vorgeschlagene Methode kann bei einer geringen Anzahl von Messungen die Benutzung unterschiedlicher Geräte für den Patienten so ermöglichen, dass eine glatte und möglichst lang anhaltende Tret-Bewegung aufrechterhalten wird. Das Training am Fahrrad oder Ergometer muss bei Patienten aus derzeitiger wissenschaftlicher Sicht vermutlich lebenslang fortgeführt werden. Für dieses Heimtraining werden die Patienten mit eigenen Ergometern oder Stimulatoren ausgestattet.

 

Patienten

Am 13. August 2005 bestand die Studie aus 20 Teilnehmern mit Querschnittlähmung und 2 Patienten mit Multipler Sklerose.

Die Patienten trainierten in der Querschnittambulanz unserer Klinik am Ergometer durchschnittlich alle zwei Wochen ca. zwei Stunden lang. Zusätzlich hatten alle Patienten die Möglichkeit in häuslicher Umgebung konventionelles Muskelstimulationstraining (d.h. ohne Belastung) durchzuführen.

 

Methode

Die erarbeitete, standardisierte Ersteinstellung des Patienten für das FES - Radfahren beruht auf der klassischen medizinischen Indikationsstellung für Elektrostimulation und auf den in der Förderperiode erarbeiteten biomechanischen und physiologischen Messungen zur Ermittlung des Patientenstatus (im Prinzip der physischen Leistungskondition des Patienten). 

 

Medizinische Ein- und Ausschlußkriterien

Klassische Indikationsstellung: das FES - Radfahren ist bei kompletten (ASIA A: motorisch und sensorisch kompletten) spastischen Querschnittlähmungen in der Höhe C5 - Th12 möglich. Es dürfen keine generellen Kontraindikationen gegen die FES - Methodik vorliegen (z.B. Herzschrittmacher oder Herzrhythmusstörungen, Hautwunden). Vor allem bei Patienten mit Läsionen oberhalb Th4 besteht ein Risiko einer autonomen Dysregulation mit pathologischen Blutdruck - und Herzfrequenzschwankungen, sodass Puls - und Blutdruckkontrollen besonders während der ersten Anwendungen nötig sind. Ausgeprägte Kontrakturen oder Denervierungen der Beinmuskeln sind ebenfalls Ausschlusskriterien. Bei einer ausgeprägten Spastik (Ashworth-Skala 4-5) ist kein Fahrradfahren möglich. Es dürfen außerdem keine orthopädischen Probleme bestehen, z. B. extrem beschränkte Gelenkbewegungsbereiche oder Knochenbrüche in der Vorgeschichte. Die im Rahmen des geförderten Projekts erarbeitete strukturierte Vorgehensweise zur Einschätzung der FES - Radfahrfähigkeit des einzelnen Patienten ist der Abbildung zu entnehmen.

Schema fes-op

 

Biomechanische Ein - und Ausschlusskriterien

StimulationsmusterNach Ausschluss der Kontraindikationen stellt sich die Frage ob der Patient grundsätzlich, vom Gesichtspunkt des Trainingszustands Radfahren kann. Wenn das Radfahren nicht möglich erscheint, muss entschieden werde an welcher Komponente der physischen Kondition des Patienten das Vorhaben scheitert (Kraft oder Ausdauer). Sollte die Kondition des Patienten das Radfahren eigentlich ermöglichen, muss das eingestellte Stimulationsmuster überprüft werden.

Die Beurteilung ob, und inwiefern der Patient ein bestimmtes Rad fahren kann hängt von zwei Faktoren ab. Zum einen, ob ein "rundes" Treten der Pedale überhaupt möglich ist und zum anderen wie lange bzw. wie weit das Radfahren überhaupt möglich ist. Zur Beantwortung dieser Fragen werden bei der Aufnahme des Patienten folgende Größen gemessen: die maximalen isometrischen Drehmomente der Muskelgruppen und die Glätte des Pedaltretens und die Dauerleistungsgrenze.

 

Isometrische Kraftmessung

Zur Bestimmung der Drehmomente wurde das kommerziell erhältliche Fahrrad der Firma OVG eingesetzt, wobei dessen Vorderrad entfernt und die Fahrradgabel ortsfest eingespannt wurde. Die beim Fahrradfahren beteiligten Muskelgruppen wurden alle 20° entlang des Kurbelradumfangs von 360° stimuliert. Die hierdurch erhaltenen Momente/Winkel Charakteristika der jeweiligen Muskelgruppen ergaben das für den jeweiligen Patienten typische Antriebsprofil.

 

Fahrfähigkeit

Die Fahrfähigkeit lässt sich durch zwei Kriterien definieren:

1. Die kurzfristige Radfahrfähigkeit

 Als kurzfristige Radfahrfähigkeit (Fähigkeit das Pedal treten zu können) haben wir die Welligkeit der Kurbelwinkelgeschwindigkeit definiert. Diese "Ungleichmäßigkeit" des Pedaltretens sollte nicht mehr als 7 - 10 Upm betragen. Beträgt die Welligkeit mehr als 15 Upm ist sogar mit einem Stillstand des Pedaltretens zu rechnen, das Radfahren ist also nicht möglich.

2. Langfristige Radfahrfähigkeit

Langfristige Radfahrfähigkeit hängt davon ab, ob eine alltagsrelevante Funktion erfüllt werden kann, z. B. das Zurücklegen einer Mindestfahrstrecke mit dem FES - Fahrrad. Bei Voraussetzung einer Strecke von 1000 m kann entschieden werden, ob ein Patient diesen Abstand zurücklegen kann.

 

Spastik und FES-Radfahren

Bei starker Spastik (Ashworth = 4 - 5) ist bisher kein FES - Radfahren möglich.

 

FES-Fahrräder im Überblick

Fes-FahrradIn ergonomischer Hinsicht wurden drei Fahrräder untersucht und deren Vorteile in einer Diplomarbeit zu einem zukunftsweisenden Konzept vereinigt, das derzeit leider nur in der Computersimulation (nebenstehend) existiert. Die für die Steuerung der Muskelstimulation notwendige Kurbelwinkel-Stellung wird mit Hilfe eines relativen Drehgebers (8 Bit) codiert und die Geschwindigkeitskorrektur durch Differentiation und Filterung des Winkelsignals berechnet. Diese Signale werden für die Ansteuerung des elektrischen Stimulators benutzt.

Eingesetzt wird ein Stimulator der Firma Krauth & Timmermann, der für diesen Zweck mit einer Stimulationsfrequenz von 20 Hz Frequenz, konstanter 500 µsec Pulsbreite und veränderlicher Stimulationsstromstärke von bis zu 99 mA arbeitet. Die Stimulationsintensität wird während der Fahrt vom Patienten mit Hilfe eines am Lenker angebrachten Gashebels eingestellt. Es werden sechs Muskelgruppen stimuliert, die Oberschenkelstrecker, die –beuger sowie die Gesäßmuskeln. Das Stimulationsmuster für einen der Patienten ist dem nebenstehenden Bild zu entnehmen. Es konnte in dieser Studie nachgewiesen werden, dass einerseits die einzelnen Patienten durch ein sogenanntes Antriebsprofil, anderseits die jeweiligen Fahrräder mittels Lastprofile charakterisierbar sind. Somit reduziert sich das Anpassungsproblem auf die Minimierung von Phasen- und Amplitudenabweichungen zwischen Last- und Antriebsprofil. Bei oben abgebildetem Fahrrad handelt es sich um die Computersimulation einer technisch optimierten Variante, bei welcher mittels der Tretbewegungen ein Generator angetrieben wird, welcher wiederum über einen zwischengeschalteten Motor eine gleichmäßige Kraftübertragung auf die Pedale ermöglicht. Um die Güte eines FES-Fahrrades zu beurteilen wird auf ein möglichst glattes Last- und Kurbelprofil geachtet, was der Vergleich zweier Räder in unten stehender Abbildung verdeutlicht.

Lastprofile

 

FES-Radfahren im Stehen auf dem Steilrad

Intensives mukuläres und kardiovaskuläres Training sind neben einer Verbesserung von Gang und Stand wichtige Rehablilitationsziele nach Querschnittverletzungen. Da FES-Radfahren im Liegen vor allem muskuläre Funktion und Kondition verbessert, ist es kein adäquates Mittel zur Steigerung von Balance und kardiovaskulärer Leistungsfähigkeit.
Wir haben eine Methode des aufrechten FES-Radfahrens entwickelt, welche dem Stehendfahren gesunder Radfahrer bei Geländeanstiegen entspricht. Bei einer ersten Versuchsperson mit komplettem Querschnitt auf Höhe Th9 wurde sowohl die technische Machbarkeit wie auch biomechanische und physiologische Trainingscharakteristika des aufrechten FES-Radfahrens an einem so genannten Steilrad untersucht.
Wir konnten zeigen, dass aufrechtes FES-Fahren technisch unkompliziert zu realisieren ist und die Vorteile von intensivem kardiovaskulärem (Leistung, O2-Aufnahme), orthostatischem und Balance Training verbessert.
Einen Demonstrationsfilm finden Sie hier.

Resultate

1000m WeltrekordNach intensivem Training hatten mehrere Patienten ihre Beinmuskulatur wieder soweit aufgebaut, dass sie heute auf der Straße auch längere Strecken bewältigen zu können. Die besten beiden nahmen am 22. Juni 2006 am ersten internationalen FES - Sporttag für Querschnittgelähmte im britischen Cardiff teil. Dabei stellte einer der beiden Patienten den Weltrekord über die 1000m Distanz auf und gewann das Rennen souverän mit einer Zeit von 5 min 04 s. Die zweite Münchner Teilnehmerin erreichte einen hervorragenden 5. Platz. Bei diesem Wettbewerb stand der Grundgedanke im Mittelpunkt, herauszufinden was mit FES machbar ist und wo die Grenzen liegen.

Weitere Informationen bietet Ihnen unsere Bildergalerie.

 

 

 

Fazit

Fahrradfahren mittels funktioneller Elektrostimulation stellt für Patienten mit Lähmungen der unteren Extremität eine vielversprechende Methode dar, welche vielfältige medizinische Verbesserungen erbringen kann. Obwohl sich konkrete Anwendungen derzeit noch auf sportliche Aspekte fokussieren, ist eine möglichst vollständige Alltagstauglichkeit das erklärte Ziel weiterer Forschung.

 

Kontakt

Dr. med. Dipl.-Ing. Johann Szecsi
Zentrum für Sensomotorik
Neurologische Klinik und Polklinik der LMU
Universitätsklinikum Großhadern
Marchioninistr. 23
81377 München
Telefon: (089) 7095 - 4818
e-mail: jszecsi(at)nefo.med.uni-muenchen.de


Anfahrt

Markierung Nr. 3 auf folgender Übersicht (Zentrum für Sensomotorik, zur Anfahrt mit dem Auto bitte roten Pfeilen folgen): Link

Danksagung

Die Autoren möchten ihren herzlichen Dank den am Projekt teilnehmenden Patienten aussprechen, ohne deren aktiven Mithilfe die Durchführung dieses Projektes nicht vorstellbar gewesen wäre. Alle Interessenten, möglicherweise Betroffene mit Querschnitt und anderen Lähmungen der Beine, sind zur Kontaktaufnahme eingeladen.

Literatur

  • Müller F., B., Heller S., Krewer C., Quintern  J., Koenig E. (2004). Gait Training with a Driven Gait Orthosis – Comparison between Lokomat and Treadmill Therapy. Klin Neurophysiol 2004; 35
  • Quintern J, Riener R, Rupprecht S. Comparison of simulation and experiments of different closed-loop strategies for functional electrical stimulation: experiments in paraplegics. Artif Organs. 1997 Mar;21(3):232-5.
  • Riener R, Quintern J, Schmidt G. Biomechanical model of the human knee evaluated by neuromuscular stimulation. J Biomech. 1996 Sep;29(9):1157-67.
  • Szecsi J., Fiegel M., Krafczyk S., Straube A.(2005) Grenzen der Funktionellen Elektrostimulation – das Beispiel Fahrrad für Querschnittgelähmte Menschen. Zeitschrift für Physiotherapeuten 6, 980-991.
  • Szecsi J., Fiegel M., Krafczyk S., Straube A.(2005) The smooth pedal stroke of the paraplegic cyclist – a computer simulation and experimental study. Proceedings of the 6th International Symposium on Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering, Madrid-Spain, Feb. 2004, ISBN 09549670-0-3, [CD_ROM].
  • Szecsi J, Fiegel M, Krafczyk S, Straube A, Quintern J, Brandt T. [The electrical stimulation bicycle: a neuroprosthesis for the everyday use of paraplegic patients] MMW Fortschr Med. 2004 Jun 24;146(26):37-8, 40-1.
  • Szecsi J., Fiegel M., Krause P., Quintern J.(2004) Individual adaptation of functional electrical stimulation of paraplegics in different cycling tasks. Technology and Health Care 12, 89-93, ISSN 0928-7329.
  • Szecsi J, Fornusek C, Krause P, Straube A. Low frequency rectangular pulse is superior to middle frequency alternating current stimulation in cycling of spinal cord injured people. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 2006: accepted.
  • Szecsi J, Krafczyk S, Quintern J, Fiegel M, Straube A, Brandt T. [Paraplegic cycling using functional electrical stimulation. Experimental and model-based study of power output] Nervenarzt. 2004 Dec;75(12):1209-16.
  • Szecsi J., Krause P., Krafczyk S., Fiegel M., Straube A.(2005) Modeling the activity of daily life -relevant functional output of FES cycling: an experimental study. Proceedings of the 10th Annual Conference of the International FES-Society, Montreal-Canada, pp. 261-263.
  • Szecsi J., Müller F., Brandt T., Straube A.(2006) Functional output improvement in FES cycling by mean of forced smooth pedaling. Proceedings of the 11th Annual Conference of the International FES-Society,Miyagi-Zao, Japan, Sept.12-15,2006, ISBN 4-9980783-1-3.
  • Yarkony GM, Jaeger RJ, Roth E, Kralj AR, Quintern J. Functional neuromuscular stimulation for standing after spinal cord injury. Arch Phys Med Rehabil. 1990 Mar;71(3):201-6.


 
 

Geschäftsführer

Prof. Dr. Ing.
Stefan Glasauer
Tel. (089) 4400-74839
Fax (089) 4400-74801
sglasauer
(at).med.uni-muenchen.de

 

Anschrift

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Neurologische Klinik und Poliklinik

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Marchioninistr. 23
D-81377 München

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