Die Ingenieurin, die Reha-Roboter trainiert

Laura Marchal-Crespo von der Universität Bern bringt Therapie-Maschinen bei, die sich ständig wiederholenden Übungen für Schlaganfall-Patienten individuell anzupassen.

Laura Marchal-Crespo testet den lernfähigen Reha-Roboter Armin. Foto: Adrian Moser

Laura Marchal-Crespo testet den lernfähigen Reha-Roboter Armin. Foto: Adrian Moser

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Direkt an der Fensterfront des Grossraumbüros steht Armin. Diese robuste, grün-silberne Maschine mit dem langen, gelenkigen Greifarm sieht aus, als ob sie aus einer Fabrikhalle zur Montage von Autos stammt. Doch sie befindet sich in einem mehrstöckigen Forschungsgebäude gegenüber dem Inselspital Bern.

«Das ist unser Therapie-Roboter», sagt Laura Marchal-Crespo und schlüpft zur Demonstration mit ihrem Arm durch die Schlaufen. Vor ein paar Jahren wurde Armin an der ETHZürich von Robert Riener und Tobias Nef entwickelt, um die Hand- und Armbewegungen von Patienten mit Lähmungserscheinungen nach einem Schlaganfall zu trainieren. Jetzt arbeitet die 39-jährige Professorin am Kompetenzzentrum der Universität Bern für Biomedizinische Ingenieurwissenschaften (Artorg) daran, die Steuerung des Reha-Roboters individuell auf die jeweiligen Bedürfnisse anzupassen.

Jedes Jahr erleiden in der Schweiz etwa 16'000 Menschen einen Schlaganfall. Wer einen solchen Hirninfarkt überlebt, hat häufig mit anhaltenden Ausfällen der Motorik zu kämpfen. Weltweit gehört die Erkrankung zu den häufigsten Ursachen einer Lähmung. Intensive Physio- und Ergotherapie kann oft einiges an Beweglichkeit zurückbringen. Dennoch ist eine solche Behandlung normalerweise sehr zeit- und kraftaufwendig. Denn die Patienten müssen gestützt oder geführt werden, um das Greifen und Gehen wieder neu zu erlernen.

«Je länger ein Patient inaktiv ist, desto schwerer ist es, dass er seine Mobilität später wiedererlangt», sagt Marchal-Crespo. Wichtig ist es auch, die Übungen ständig zu wiederholen, damit die Hirnstrukturen sich neu organisieren können. Reha-Roboter seien aber keineswegs als Ersatz für konventionelle Therapien gedacht, sondern vielmehr als sinnvolle Ergänzung.

Aus Fehlern lernen

Die Spanierin Laura Marchal-Crespo forschte bereits an der ETH Zürich an der Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine mithilfe von Roboterassistenz und virtueller Realität. Dabei interessierte sie sich besonders dafür, gelähmten Menschen nach einem Schlaganfall zu helfen. Vor der ETH studierte und promovierte sie an der University of California in Irvine. Im Jahr 2017 erhielt sie dann eine Professur des Schweizerischen Nationalfonds (SNF) und ist seither an der Universität Bern tätig. Diesen Oktober hielt sie an der dortigen Fakultät für Medizin ihre Antrittsvorlesung.

Beim Training mit Armin ist der beeinträchtigte Arm des Patienten an das Exoskelett des beweglichen Roboterarms geschnallt und folgt den durch den Roboter vorgegebenen Bewegungen. Auf diese Weise können virtuell vor dem Bildschirm gezeigte Alltagssituationen wie das Einschenken von Wasser in ein Glas immer wieder geübt werden.

«Wir verbessern die Bewegungs­fähigkeit, indem wir die Fehler verstärken», sagt die Ingenieurin. Dies höre sich erst einmal komisch an. Doch wenn ein Schlaganfall-Patient beispielsweise nach etwas greifen will, es aber nicht präzis macht, verstärkt der Reha-Roboter diese Ungenauigkeit, indem er einen leichten Widerstand erzeugt. Auf diese Weise muss sich der Patient noch mehr anstrengen. Der von Marchal-Crespo entwickelte, lernfähige Algorithmus entscheidet jeweils selbstständig, welchen Patienten er die Aufgabe erschwert und welchen er sie eher erleichtert.

Beim Training entscheidet der Roboter, ob er mithilft oder etwas Widerstand leistet. Foto: Adrian Moser

Neben Armin gibt es in dem Berner Grossraumbüro aber auch eine horizontale Laufmaschine. Darauf kann Marchal-Crespo einen Patienten sogar während der Übung in einem Magnetresonanztomografen untersuchen. Liegend bewegt er dort entweder aktiv oder passiv mithilfe eines Knieheberoboters seine Beine. Die Forscherin will damit herausfinden, welche Gehirnareale durch solche gezielten Übungen angeregt werden und wie sich nach einem Hirnschlag die Nervenzellen dadurch wieder neu verknüpfen. Derzeit ist sie daran, auch das Gefühl des Gehens möglichst echt zu simulieren, sodass etwa der Druck auf die Sohlen gespürt wird.

Ursprünglich stamme sie sozusagen aus den Suburbs von Barcelona, erzählt sie lachend. Sie habe grosses Glück gehabt, dass sie damals ein Stipendium für die USA erhalten habe. Denn ihre Eltern waren beide keine Akademiker, und ihr Vater verdiente als Taxifahrer Geld. Ihre Mutter habe sie und ihre zwei Schwestern aber in jeglicher Hinsicht immer sehr unterstützt, fügt sie hinzu. Die eine sei jetzt Maschinenbauingenieurin in Australien, die andere Chemikerin in Barcelona.

Weil auch Marchal-Crespos Mann aus der Hauptstadt Kataloniens kommt, spricht er mit den drei gemeinsamen Kindern im Alter von drei bis sieben Katalanisch, während sie mit ihnen Spanisch spricht. Der Alltag mit Familie und Beruf sei eine Herausforderung, aber auch spannend und ein Privileg, findet sie. Ihr Mann arbeitet als Ingenieur bei ABB in Zürich. Da die Familie dort lebt, pendelt sie vier Tage in der Woche nach Bern. «Wenn es irgendwie möglich ist, machen wir am Wochenende alle zusammen Outdoor-Aktivitäten und gehen entweder wandern oder Velo fahren.»

Therapie mit Virtual Reality

Marchal-Crespo ist bei ihrer Arbeit vor allem auch von den schier unerschöpflichen Möglichkeiten der virtuellen Welt fasziniert. So holt einer ihrer Doktoranden nun eine VR-Brille hervor. Wer sie auf hat, befindet sich in einem virtuellen Raum, wo plötzlich irgendwo ein Apfel, dann eine Birne oder wieder ein Apfel in der Luft hängen. Mit einem Controller muss man nun einen Ball genau zu diesen Früchten steuern und gleichzeitig noch die Obstsorten zählen.

«Das klingt, als wäre es sehr leicht», sagt die Wissenschaftlerin. Doch für Patienten nach einem Schlaganfall ist die Kombination aus motorischer Aktivität und einer kognitiven Aufgabe schwierig. Denn sie müssen sich auf beides stark konzentrieren und diese Fähigkeiten erst wieder zurückgewinnen.

Auch Games einsetzen

Marchal-Crespo hat noch weitere Gadgets in ihrem Testlabor. Zum Beispiel einen speziellen Joystick, mit dem man eine kleine Kugel über verschiedene raue, glatte, weiche, hügelige oder canyonartige Oberflächen fahren lassen kann und das jeweilige Material auf der Hand spürt, das man in der virtuellen Welt gerade berührt. «Wir versuchen, möglichst viele Sinne auf einmal zu aktivieren, um den grösstmöglichen Trainingserfolg zu erzielen», sagt sie.

Ihr Ziel ist es, die Patienten so zu motivieren, dass sie länger und intensiver trainieren. Natürlich sei dies anstrengend und oft auch frustrierend, betont sie. Wenn ein Kind laufen lerne, falle es hin, stehe aber wieder auf, versuche es ständig von neuem. Doch das komme aus dem inneren Antrieb heraus. Wer nach einem Schlaganfall das Gehen erst wieder üben müsse, brauche viel mehr Kraft und auch Durchhaltevermögen.

Derzeit untersucht sie, ob sie mit speziellen Games die Motivation der Patienten erhöhen kann. «Ich möchte auch langweilige Trainingseinheiten spannend machen», sagt die Forscherin.

Erstellt: 09.11.2019, 21:04 Uhr

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