MUNDUS

MUltimodal Neuroprosthesis for Daily Upper Limb Support

Assistive Technologien sollen Menschen mit Einschränkungen ein eigenständiges Leben ermöglichen. Lösungen für Menschen mit stark eingeschränkter Motorik ersetzen deren natürliche Interaktion mit der Welt zumeist vollständig, was die Akzeptanz der Lösungen mindert. Menschliche Würde und Selbstachtung erfordern vielmehr, dass fehlende motorische Funktionen mithilfe von assistiven Technologien wiederhergestellt bzw. nur im notwendigen Umfang unterstützt werden. Neun europäische Organisationen, darunter Universitäten, Forschungsinstitute, Unternehmen und ein Krankenhaus, die jeweils über ausgewiesene Expertise in ihren Fachgebieten verfügen, arbeiten im EU-Projekt MUNDUS (MUltimodal Neuroprosthesis for Daily Upper Limb Support; Multimodale Neuroprothese für die tägliche Unterstützung der oberen Gliedmaßen) zusammen an der Forschung und Entwicklung im Hinblick auf ein assistives Rahmenwerk, mit dem Menschen mit starken motorischen Einschränkungen durch die Unterstützung von Arm- und Handfunktionen dabei geholfen werden soll, wieder selbstbestimmt mit ihrer Umwelt zu interagieren.

Zentrales Element des MUNDUS Rahmenwerkes ist der MUNDUS-Controller, der die mittels Elektromyographie, Bioimpedanz, Kopf-/Augen-Tracking und Brain-Computer-Interface-Befehlen gesammelten multimodalen Informationen integriert und zur Ansteuerung der Aktuatoren verwendet. MUNDUS berücksichtigt bei der Ansteuerung jede Kontrolle, über die der Endbenutzer noch verfügt, sodass eine minimale, gleichzeitig aber optimale Unterstützung der Aktivität erfolgt. Die MUNDUS-Aktuatoren bestehen aus einem Exoskelett – einer biomimetischen, tragbaren Neuroprothese für Armbewegungen – zur Kompensation des Gewichts des Arms und einer mechanischen Konstruktion zur Unterstützung von Greifbewegungen der Hand. Geringes Gewicht und einfache Handhabbarkeit sind ausschlaggebende Faktoren für die Anwendbarkeit der Lösung in der häuslichen bzw. beruflichen Umgebung. Für die subjektive und quantitative Bewertung der Anwendbarkeit des Systems durch echte Endbenutzer werden spezielle Szenarien in häuslichen und beruflichen Umgebungen verwendet.

Die Expertise des Fachbereichs Bioengineering am Politecnico di Milano (Italien) auf den Gebieten Design von Neuroprothesen, motorische Kontrolle, motorische Lernsimulationen und motorische Analyse wird zum Design eines biomimetischen Controllers beitragen sowie zu Stimulationsstrategien für ein neuromuskuläres elektrisches Stimulationssystem (NMES), zur Simulation von motorischer Steuerung für die Planung des Verlaufs von Armbewegungen und zur Integration eines Augen-Tracking-System als einer der Benutzerschnittstellen. Eine weitere Benutzerschnittstelle ist ein Brain-Computer-Interface, das von der Brain-Computer-Interface-Gruppe an der Technischen Universität Berlin (TUB) entwickelt wird. Das Fachgebiet Regelungssysteme der TUB setzt die Ansteuerung der Aktuatoren und der Muskulatur in einem Echtzeitsystem um. Der Forschungsbereich Maschinenelemente und Rehabilitationstechnik am Institut für Konstruktionswissenschaften und Technische Logistik der Technischen Universität Wien trägt zum Design des leichtgewichtigen Exoskeletts bei, wobei leichtgewichtige Materialien und Konstruktionskonzepte verwendet werden. Außerdem werden dort spezielle Dämpfer und Aktuatoren auf Basis magnetorheologischer Fluide entwickelt. Das Institut für Automatik der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETH) bringt seine Kompetenzen in die Entwicklung eines tragbaren Systems ein, das die funktionale elektrische Stimulation liefert, und hilft bei der Entwicklung der Algorithmen, die für die Erfassung motorischer Funktionen benötigt werden, damit funktionales Greifen ermöglicht wird.

Die beteiligten Unternehmen sind Spezialisten auf dem Gebiet der Rehabilitation. Auf der Basis seiner bestehenden Produkte verfügt Hocoma (Schweiz) über Kompetenzen bezüglich der Entwicklung eines leichtgewichtigen Exoskeletts. Als einer der Hauptpartner in Bezug auf die Ausnutzung der Projektergebnisse unterstützt Hocoma die Anpassung und Integration neu entwickelter Technologien in ein funktionierendes System, das zur klinischen Evaluierung eingesetzt werden kann. Hocoma kümmert sich auch um die marktorientierte Verwirklichung der Technologien und um die kommerzielle Zertifizierung. Das zweite Unternehmen, Ab.Acus (Italien), bringt seine Kompetenzen auf dem Gebiet interaktiver Produkte ein. CF Consulting (Italien) ist für das administrative Projektmanagement verantwortlich.

Valduce ist ein italienisches Krankenhaus, das über Erfahrung im Experimentieren mit fortschrittlichen IKT-Technologien für medizinische Anwendungen verfügt; es bietet die Umgebung für die Evaluierung von MUNDUS durch echte Endbenutzer.

Das Fraunhofer IESE arbeitet insbesondere an der Integration unaufdringlicher Sensorik in das Gesamtsystem. Es werden bildgebende Sensoren sowie Sensoren zur Entfernungsmessung eingesetzt. Die zusammengeführten Daten dieser Sensoren liefern kontinuierlich Informationen zu den relevanten Positionen des Oberkörpers der unterstützten Person sowie der Objekte, die sich im Arbeitsumfeld der Person befinden. Die Positionsinformationen werden vom System genutzt, um die auszuführende Bewegung zu planen und bei Bedarf in Echtzeit zu korrigieren.

Weiterhin erarbeitet das Fraunhofer IESE ein Evaluationsrahmenwerk, mit dessen Hilfe die Effektivität von MUNDUS im Feld systematisch untersucht werden soll. In diesem Zusammenhang wird eine grafische Benutzeroberfläche entwickelt, die es dem betreuenden Arzt oder Pfleger ermöglichen soll, die Qualität der Bewegung zu beurteilen. Hierzu wird in enger Kooperation mit den beteiligten Ärzten ein entsprechendes Bewertungsschema konzipiert und umgesetzt. Das Empirieteam des Fraunhofer IESE wird maßgeblich zur Erarbeitung des Evaluationsplanes, also der Beschreibung der Vorgehensweise zur systematischen Evaluation, sowie zur Erstellung von entsprechenden Messinstrumenten, wie zum Beispiel einem Fragebogen zur Akzeptanz von MUNDUS durch den Patienten, beitragen.