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Bewegungsanalyse mit intelligenter Software

Der Parkinson-Schuh

Ein Arzt, der Parkinson diagnostiziert, muss sich bisher vor allem auf seine Erfahrung verlassen. Das Softwarehaus ASTRUM IT aus Erlangen arbeitet mit finanzieller Unterstützung durch die Bayerische Forschungsstiftung an einem Sensorschuh, der die Symptome von Parkinson-Patienten an ihrem typischen Gang erkennt. So lassen sich entscheidende Informationen aus dem Alltag der Patienten erheben.

Tremor wegen Mangel – Zittern ist das bekannteste Symptom der Bewegungserkrankung Morbus Parkinson. Das liegt an der Unterversorgung des Gehirns mit dem Botenstoff Dopamin. (© OSCAR BURRIEL / SPL / Agentur Focus) vergrößern

Tremor wegen Mangel – Zittern ist das bekannteste Symptom der Bewegungserkrankung Morbus Parkinson. Das liegt an der Unterversorgung des Gehirns mit dem Botenstoff Dopamin. (© OSCAR BURRIEL / SPL / Agentur Focus)

Das Zittern kommt erst, wenn schon längst mehr als die Hälfte der betroffenen Nervenzellen zerstört sind: Plötzlich funktionieren die Hände beim Kämmen, Zähneputzen und Schuhebinden nicht mehr so wie sie sollen – erst die eine, später dann auch die zweite Hand.

Viele Betroffene empfinden es als beschämend, wenn bald auch ihre Freunde und  Angehörigen merken, dass ihnen die oftmals notwendige Feinmotorik abhandengekommen ist.

Auch der Gang verändert sich dann – und das gibt den Ärzten wichtige Hinweise bei der Diagnose: Morbus Parkinson. „Bei dieser neurologischen Erkrankung kommt es zu einem fortschreitenden Untergang von Nervenzellen in einer bestimmten Hirnregion“, erklärt Dr. Jochen Klucken, Oberarzt in der Abteilung Molekulare Neurologie am Universitätsklinikum Erlangen. Die Ursache ist noch weitgehend unbekannt, und eine ursächliche Therapie existiert noch nicht.

Nur so viel ist klar: Weil die Nervenzellen absterben, die Dopamin produzieren und vor allem Bewegung steuern, kommt es langfristig zu den typischen Beschwerden wie Bewegungsarmut, Muskelsteife, Zittern auch in Ruhe und vor allem zu einem unsicheren Gang.

Zerstörung im Gehirn – Bildgebende Verfahren wie die Magnetresonanztomographie helfen Medizinern bei der Differenzialdiagnose von Parkinson-Patienten. (© istockphoto/Katrina Brown)

Gangmuster zeigt Krankheitsstadium

Geben frühe unspezifische Symptome wie Müdigkeit und Depression den betreuenden Medizinern häufig noch keine konkreten Hinweise auf die Erkrankung, die sich im Gehirn ihrer Patienten breitmacht, erkennen erfahrene Spezialisten die typischen Symptome später recht deutlich – und damit auch das Krankheitsbild Parkinson. Bei der Diagnose und Einstufung der Krankheitsstadien müssen sich die Neurologen bisher jedoch auf ihre Erfahrung verlassen.

Denn es fehlt an objektiven Krankheitskriterien, die sich messen lassen. „Die Parkinson-
Diagnose ist bislang eher subjektiv und entsteht häufig aus einer Momentaufnahme“, erklärt Chantal Peter, Produkt-Managerin Gesundheitswesen beim Softwarehaus ASTRUM IT. Sie und ihre Kollegen arbeiten deshalb an einem Sensorschuh, der den menschlichen Gang analysiert und so bereits frühzeitig Hinweise auf eine Parkinson-Erkrankung liefern kann.

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Der Sensorschuh könnte eine Früherkennung der Krankheit ermöglichen

„Unser Gang ist intuitiv und unverfälscht: Er lässt sich nicht so bewusst steuern wie etwa eine Armbewegung und ist daher sehr gut für die Diagnosestellung geeignet“, erklärt Peter. Die Software-Spezialisten von ASTRUM IT forschen in enger Absprache mit Ärzten und Therapeuten am Universitätsklinikum Erlangen am Sensorschuh. „Wir freuen uns natürlich sehr, so eine Hilfe an die Hand zu bekommen“, erklärt Klucken. Denn ein Sensorsystem könnte Gangveränderungen wie etwa kleinere Schritte oder Schwierigkeiten beim Losgehen viel früher detektieren als das menschliche Auge dies jemals vermag.

„Ein Morbus Parkinson ließe sich dann endlich objektiv und nach besser vergleichbaren Kriterien beurteilen“, so der Neurologe. Der Einsatz des Sensorschuhs wird derzeit vor allem im Hinblick auf die Beurteilung des Krankheitsverlaufs und auf die Wirksamkeit 
unterschiedlicher Therapieansätze getestet: Langfristig könnte er aber auch bei der Früherkennung helfen und so eine zeitigere Diagnose der Erkrankung als bisher ermöglichen. Heute wird die Krankheit in der Regel erst erkannt, wenn bereits 50 bis 60 Prozent der Nervenzellen zerstört sind.

Nachgefragt

Dr. Jochen Klucken - Oberarzt in der Abteilung für Molekulare Neurologie, Universitätsklinikum Erlangen (© Frank Bittner)

Wie könnten Parkinson-Patienten, Therapeuten und Ärzte in Zukunft von einem Sensorschuh profitieren?

Biosensor-unterstützte Erfassung von Bewegungsstörungen, wie sie der Sensorschuh ermöglicht, haben zwei hauptsächliche Funktionen: Zum einen können sie ein objektives und vergleichbares Bild der Bewegungsstörung erheben und sind somit unabhängig vom untersuchenden Arzt. Zum anderen sind sie als mobile und  unauffällige, in Kleidungsstücke integrierbare Sensorsysteme in der
Lage, die Bewegungseinschränkungen und deren Veränderungen im Tagesverlauf zu erfassen. Dadurch bekommt der Arzt Informationen, die insbesondere in fortgeschrittenen Krankheitsstadien therapeutisch relevant sind und bisher nur sehr unzulänglich erfasst werden können.

Für welche anderen Krankheitsbilder könnte ein ähnliches  Sensorsystem sinnvoll sein?

Das System der Sensor-basierten Bewegungsanalyse lässt sich auf eine Vielzahl orthopädischer oder neurologischer Krankheitsbilder
übertragen. Das könnte helfen, den Erfolg von Therapien oder Medikamenten objektiv und vergleichbar zu beurteilen. Ich könnte mir aber auch vorstellen, dass in Zukunft in Echtzeit Bewegungsdaten aufgezeichnet und ausgewertet werden, die dann eine sofortige Rückmeldung an den Patienten geben. Solche sogenannten Biofeedback-Systeme können dadurch auch eine direkte  therapeutische Wirkung haben. Ein Schuh-basiertes Ganganalysesystem könnte dafür mit weiteren Sensoren kombiniert werden, die neben der Bewegung auch Puls, Atmung und Temperatur
erfassen.

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Smartphone-Sensoren im Einsatz für die Parkinson-Diagnostik

Noch befindet sich der Sensorschuh samt Aufzeichnungs- und Auswertungssystem allerdings im Forschungsstadium. Das Projekt „eGaIT“ (embedded Gait analysis using Intelligent  Technology), an dem ASTRUM IT, die Spezialambulanz für Bewegungserkrankungen des  Universitätsklinikums Erlangen und der Lehrstuhl für Mustererkennung an der Universität Erlangen beteiligt sind, ist auf drei Jahre angelegt. Start war im Frühjahr 2012. Das Projekt wird von der Bayerischen Forschungsstiftung finanziell unterstützt. Noch ist der Sensor am Prototyp deutlich sichtbar an der Außenseite des Schuhs befestigt, später wird er aber im Inneren – vermutlich in der Sohle – verschwinden.

„Wir haben uns für einen Inertialsensor entschieden, der Bewegungsparameter wie Drehwinkel und Beschleunigung registriert“, erklärt Peter. Ähnliche Sensoren sind zum Beispiel
auch in einem Smartphone integriert.

 

Langzeitbeobachtung – Das Sensorsystem im Schuh misst Bewegungsdaten, die später von Ärzten ausgewertet werden können. (© Astrum IT GmbH)

Das exakte Messen der Daten ist die eine Herausforderung, die Auswertung die andere. Die Software-Ingenieure arbeiten dafür mit mathematischen Methoden der Mustererkennung. Das setzt zunächst eine gute Datengrundlage voraus. Mittlerweile haben rund 600 Menschen – Patienten und gesunde Kontrollpersonen – den Schuh getragen und klassische Übungen zur Parkinson-Diagnose damit durchgeführt:

Sie mussten zum Beispiel zehn Meter mit und ohne Pause gehen, auf der Stelle treten oder mit ihrer Fußspitze einen Kreis zeichnen. „Aus diesen Ergebnissen und vergleichenden Analysen konnten unsere Experten nach und nach Schlüsse ziehen, welches Gangmuster auf welches Krankheitsstadium hindeutet“, erklärt Peter. Dafür nutzten sie auch die Diagnosestellungen der Ärzte, verglichen sie mit den gemessenen Bewegungen und gestalteten das System allmählich immer präziser. Peter: „Jetzt kann uns der Schuh erstmals objektive Daten eines Parkinson-Patienten liefern.“ Ärzte wiederum können diese Daten nutzen, um das Krankheitsbild und -stadium noch besser einschätzen zu können.

Doch nicht nur bei der Diagnose, sondern besonders bei der Erfassung von Langzeitdaten könnte der Sensorschuh in Zukunft nützlich sein. Die Patienten werden den Schuh zum Beispiel auch zu Hause im Alltag tragen, und die Ärzte den Gang so über einen längeren Zeitraum beobachten. „Gerade bei Parkinson ist das ein wichtiger Aspekt“, erklärt Klucken, „denn die Symptome schwanken je nach Tagesform, Einfluss von Medikamenten und Umweltfaktoren.“ So lassen sich auch der Therapieverlauf und die korrekte Dosierung eines Medikaments besser kontrollieren. Außerdem lässt sich das Fortschreiten der Erkrankung frühzeitig erkennen – und so zum Beispiel mit einer Gehhilfe dem erhöhten Sturzrisiko vorbeugen.

Viele Einsatzmöglichkeiten

Solch ein Monitoring über einen längeren Zeitraum wäre auch für andere medizinische Anwendungen denkbar: „Objektive Sensorikdaten, wie sie vom sogenannten Parkinson-Schuh ermittelt werden, könnten nicht nur bei neurologischen Erkrankungen hilfreich sein, sondern auch in der Orthopädie oder Chirurgie, wenn ein Mediziner zum Beispiel den Heilungsverlauf oder den Effekt einer Rehabilitation überprüfen möchte“, sagt Peter. Aber auch gesunde Menschen könnten von einer Ganganalyse zur Prävention von Bewegungsstörungen profitieren. „Wir erfassen die Daten in der Regel dezentral und übermitteln sie via Bluetooth auf ein mobiles Endgerät, zum Beispiel ein Smartphone oder einen Tablet-PC“, erklärt Peter. So lassen sich die Bewegungsparameter direkt an den Patienten oder über eine gesicherte Internetverbindung an den behandelnden Arzt oder Therapeuten übertragen.

Peter und ihre Kollegen haben viele Ideen, wie sie ihre Sensortechnik in Zukunft noch einsetzen könnten. Diese Ansätze entwickeln sie auch immer weiter in Gesprächen mit Partnern in der Region rund um das Medical Valley in Erlangen.

 

Von außen nach innen – Noch ist der Sensor, der den Gang des Patienten analysiert, außen am Schuh angebracht. Später soll er in den Schuh integriert werden. (© Astrum IT GmbH)

Diagnose Parkinson

Morbus Parkinson ist eine langsam fortschreitende Schädigung von Nervenzellen, deren Symptome behandelbar, die jedoch nicht heilbar ist. Meist erkranken Menschen erst in höherem Alter: Die Diagnose wird in der Regel zwischen dem 50. und 60. Lebensjahr gestellt. Männer sind etwas häufiger betroffen als Frauen.

Die klassischen Symptome sind Bewegungsverlangsamung beziehungsweise -armut (Hypo-, Akinese), Muskelsteifheit (Rigor) und Zittern (Tremor). Deshalb nannte der englischen Arzt James Parkinson die Krankheit auch „Schüttellähmung“, als er sie im Jahr 1817 zum ersten Mal beschrieb.

Diese Symptome können aber auch bei anderen Erkrankungen wie chronischen Durchblutungsstörungen des Gehirns oder als Nebenwirkung bei der Einnahme bestimmter Medikamente auftreten.

„Uns sind Austausch und Kontakt zu anderen Experten auf unserem Gebiet sehr wichtig“, erklärt Peter. Dafür bietet ihnen die Bayern Innovativ GmbH eines der zentralen Netzwerke. Seit Jahren ist ASTRUM IT deshalb auch Mitglied im Forum MedTech Pharma e.V. und als Teilnehmer von Fortbildungsveranstaltungen vertreten.

„Das Thema IT-Vernetzung findet dort immer mehr Beachtung, auch das Vernetzen von Gesundheitsdienstleistern, etwa zwischen zwei Arztpraxen oder zwischen einem niedergelassenen Arzt und dem Krankenhaus“, so die Wahrnehmung Peters. Das ist ein Trend, der immer komplexeren Krankheitsbildern und der zunehmenden Subspezialisierung in der Medizin Rechnung trägt.

Deshalb arbeitet das rund 140 Mitarbeiter starke Softwareunternehmen an einer entsprechenden Integrationsplattform, um weitere Anwendungen im Gesundheitswesen abzubilden.

Denn erst der gemeinsame Blick auf patientenbezogene Informationen gewährleistet schließlich eine optimale und integrierte Behandlung für den Patienten – und das nicht nur bei Morbus Parkinson.