Rehabilitation: Ganganalyse und -training in virtuellen Welten

"Kliniken und Rehabilitations-Einrichtungen nutzen die instrumentelle 3D-Gang- und Bewegungsanalyse (3DGA) als State-of-the-Art-Methode, um die menschliche Motorik quantitativ und objektiv zu beschreiben", sagt FH-Professor Dr. Brian Horsak von der Fachhochschule (FH) St. Pölten GmbH. Die 3DGA-Methode unterstütze somit wesentlich bei den verschiedenen Schritten, wie Diagnose, Befunderhebung, Operationsplanung und Therapieverlaufs-Evaluierung.

Auch wenn viele klinische Einrichtungen beispielsweise aktiv mit Forschungseinrichtungen zusammenarbeiten würden, seien diese Aktivitäten aufgrund des intensiven klinischen Alltags nur in einem gewissen Maß möglich. "Oftmals fehlen auch Verbindungen zu anderen Wissenschaftsgebieten, wie zum Beispiel den technischen Bereichen", weiß Senior Researcher Horsak.

An der Fachhochschule St. Pölten gibt es zusätzlich zum gesundheitswissenschaftlichen Schwerpunkt auch hochspezialisierte Kompetenz in den Bereichen Machine Learning, Visual Analytics und Mixed Reality. Diese Methoden erweitern nicht nur die klinische Forschung und Entwicklung, sondern können auch neue Lösungsansätze für die präventive, therapeutische und rehabilitative Praxis liefern: Das "Laboratory for Capturing Motion and Augmenting Environment in Motor Rehabilitation" – kurz ReMoCap-Lab – vereint all diese Disziplinen. "Durch eine intensive Vernetzung mit der Wirtschaft wird das ReMoCap-Lab dafür Sorge tragen, dass daraus resultierende Entwicklungen auch wieder als Produkte bei den Patient*innen ankommen", so Horsak.

Horsak und sein Team wollen sich in den kommenden zwei Jahren vor allem mit zwei Anwendungsfällen, sogenannten Use Cases, aktiv auseinandersetzen. Der erste Use Case nutzt Methoden aus den Bereichen "Maschinelles Lernen" und "Visual Analytics", um in klinischen Ganganalyse-Daten automatisch bestimmte Muster und Auffälligkeiten zu erkennen. Ziel soll ein Assistenzsystem für die Diagnose und Befundung sein. "Wir wollen aber lediglich bei der Befundung unterstützen", betont Horsak. Die finale Entscheidung treffe nach wie vor der Arzt oder die Ärztin. Zwar sei die automatische Mustererkennung an sich kein Novum mehr in der Medizin, doch die Abläufe im Hintergrund seien nach wie vor in der Regel schlecht greifbar. "Unser Ziel ist es daher, diese normalerweise nicht sichtbaren und oft schwer begreifbaren Lernprozesse durch spezielle Visualisierungsmethoden aus dem Bereich Visual Analytics für die Mediziner*innen nachvollziehbar zu machen. Dies nennt sich 'explainable AI' (explainable artificial intelligence)."

Der zweite UseCase wird die Bereiche der 3D-Bewegungsanalyse und der virtuellen Realität miteinander kombinieren. Dadurch lassen sich menschliche Bewegungen sehr genau dreidimensional erfassen. Bei der Methode besteht eine große Parallele zur Motion-Capturing-Technologie, die auch bei Animationsfilmen eingesetzt wird. Das ReMoCap-Lab-Team möchte auf diesem Weg ein Virtual- oder Mixed-Reality-Feedbacksystem für die Bewegungsrehabilitation entwickeln. Dafür stehen die Forschenden momentan mit Wirtschaftspartner*innen und Kliniken in Kontakt, um relevante Rehabilitations-Szenarien zu identifizieren. Das kann man sich wie folgt vorstellen: "Mit Hilfe des Bewegungsanalyse-Systems wird die Bewegung der Patient*innen sehr genau erfasst. Die Analyse erfolgt während einer Rehabilitationseinheit. Dabei trägt der Patient/die Patientin ein sogenanntes Head-Mounted-Display, also eine Virtual-Reality-Brille. Die Bewegungsanalysedaten können wir dann in Echtzeit nutzen, um ganz gezieltes Feedback in der Virtual-Reality-Umgebung einzublenden."

Virtuelle Umgebungen macht sich auch das "Gait Real-time Analysis Interactive Lab" – kurz GRAIL – an der Technischen Universität (TU) Chemnitz für die Ganganalyse zu Nutze. Mit dem GRAIL können Patient*innen in deutlich realistischeren Szenarien untersucht werden als es bisher möglich und üblich war. "Die virtuelle Realität wird hier nicht nur visuell und akustisch erzeugt, sondern auch physikalisch über das hydraulisch gesteuerte und bewegbare Laufband", erklärt Prof. Dr. Claudia Voelcker-Rehage, Inhaberin der Professur für Sportpsychologie (mit Schwerpunkt in Prävention und Rehabilitation) der TU Chemnitz. Mit dessen Hilfe kann beispielsweise das Gehen über einen unebenen Waldweg, Hügel oder eine Hängebrücke simuliert werden. Die Simulation der virtuellen Realität wird dabei sowohl über das visuelle System als auch über das taktile Empfinden und den Gleichgewichtssinn erzeugt.

Die konkreten Einsatzmöglichkeiten des GRAIL erstrecken sich vor allem auf die Rehabilitation und Erforschung von unterschiedlichen orthopädischen und neurologischen Erkrankungen. "Wichtig hierfür ist, dass die Patient*innen noch über gewisse körperliche Voraussetzungen verfügen, um mit möglichst wenig Unterstützung auf dem Laufband zu stehen oder zu gehen", betont Voelcker-Rehage. Die jeweilige Person ist während der Durchführung über eine Deckenkonstruktion und einen Gurt gesichert und kann außerdem einen Handlauf benutzen. Darüber hinaus ist es auch möglich, sich mit Hilfsmitteln wie beispielsweise Gehstützen, Rollator oder Prothesen auf dem Laufband zu bewegen.

Ein solches Vorgehen ermögliche ganz klar eine Individualisierung der Rehabilitation, Prävention und Physiotherapie. Anhand unterschiedlicher Bewegungsparameter kann der behandelnde Physiotherapeut passende Übungsszenarien auswählen und die individuellen Fortschritte des Patienten beurteilen und die Übungen bei Bedarf anpassen. Das ermöglicht ein sehr gezieltes Training.

Auch Horsak und sein Team an der FH St. Pölten sehen großes Potential in diesen digitalisierten Anwendungen. Sie wollen auf diesem Weg aktiv die Zukunft der Bewegungsrehabilitation mitgestalten. Und Horsak ist sich sicher: "Die Digitalisierung bietet neue und aufregende Möglichkeiten, die es in der Rehabilitation und Physiotherapie zu nutzen gilt, um Patient*innen künftig die bestmögliche Versorgung bieten zu können." Für genau diese Zwecke wurde daher das "Center for Digital Health Innovation" an der Fachhochschule gegründet.

Dass die Digitalisierung in Rehabilitation und Prävention viele Vorteile mit sich bringt, davon ist auch Voelcker-Rehage überzeugt: "Mit Hilfe des GRAIL kann beispielsweise ein besser individualisiertes, aber auch auf bestimmte Bewegungsparameter ausgerichtetes und standardisiertes Gangtraining erfolgen." Der Rehabilitationsprozess könne außerdem nach wissenschaftlichen Kriterien dokumentiert und entsprechend objektiv gesteuert und angepasst werden.

Ob nun an der TU Chemnitz oder FH St. Pölten – beide Teams sehen einen weiteren großen Vorteil in der gesteigerten Motivation. Etwa wenn Patient*innen Rückmeldung zu ihrem Gangmuster in Echtzeit erhalten und außerdem noch die Möglichkeit besteht, Gamification-Aspekte in die Rehabilitations-Maßnahmen einfließen zu lassen. Dreidimensionale Virtual- beziehungsweise Mixed-Reality, die sowohl individualisiert als auch standardisiert mit den Patient*innen interagieren kann, hat also durchaus Potential, in Zukunft weitere interessante Trainingsreize zu liefern und Rehabilitation und Physiotherapie noch attraktiver zu machen.