Roboter kontrollierte, sehr frühe Rehabilitation

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Daniela Breiner
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1 Roboter kontrollierte, sehr frühe Rehabilitation Verena Klamroth Marganska, SMS Lab, ETH Zurich Berlin,

2 SMS Lab, Zürich Prof. Robert Riener Universität Zürich ETH Zürich

3 Forschungsaktivitäten am SMS Lab

4 Das TEAM A. Sarabadani V. Klamroth R. Riener M. Felder C. Sturzenegger G. Colombo I. Maier A. Duschau Wicke Erigo

5 Agenda Das Immobilitäts Problem Kipptisch mit integrierter Stepperfunktion Messung physiologischer Parameter bei Gesunden Kontrolle physiologischer Parameter bei Gesunden Single Input Single Output Multi Input Multi Output 5

6 Problem: Immobilität Bettruhe Orthostatische Intoleranz Tiefe Beinvenenthrombose Pulmonale Embolien Respiratorische Komplikationen Erhöhtes metabolisches Risiko Muskelatrophie Verlust von Knochenmasse Critical Illness Polyneuropathie 6

7 Problem: Immobilität Bettruhe Orthostatische Intoleranz Tiefe Beinvenenthrombose Pulmonale Embolien Respiratorische Komplikationen Erhöhtes metabolisches Risiko Muskelatrophie Verlust von Knochenmasse Critical Illness Polyneuropathie 7

8 Problem: Immobilität Bettruhe Frühe Mobilisierung Orthostatische Intoleranz Tiefe Beinvenenthrombose Pulmonale Embolien Respiratorische Komplikationen Erhöhtes mtabolisches Risiko Muskelatrophie Verlust von Knochenmasse Critical Illness Polyneuropathie 8

9 Prolongierte Immobilisierung Patienten mit Risiko andauernder Immobilisierung Häufigkeit bei verschiedenen Pathologien 60% der neurologischen Patienten 20% der chirurgischen Patienten 20% der kardiovaskulären Patienten Häufigkeit (USA) 30% aller Aufnahmen

10 Very Early Mobilization (VEM)

11 Frühe Mobilisierung nach Schlaganfall Fenster von 1 bis 3 Monaten mit erhöhter Plastizität Genxpression Neurotransmission Inhibitorische/exzitatorische Balance Synapsenbildung (Zeiler und Krakauer 2013)

12 Frühe Mobilisierung

13 Kipptisch 13

14 Agenda Das Immobilitäts Problem Kipptisch mit integrierter Stepperfunktion Messung physiologischer Parameter bei Gesunden Kontrolle physiologischer Parameter bei Gesunden Single Input Single Output Multi Input Multi Output 14

15 Erigo Stepping Frequenz (f) Vertikalisierung (α) Erigo: G. Colombo, R. Rupp, V. Dietz; Hocoma AG 15

16 Kipptisch Einfluss von Vertikalisierung und Stepping auf das Auftreten orthostatischer Hypotension und Synkope Kipptisch [n=12] Kippstepper [n=7] Keine Synkope Czell et al. J Neuroeng Rehabil «Fast Synkope» Synkope 5 (42%) 5 (42%) 2 (18%) 7 (100%) 0 (0%) 0 (0%) Orthostatische Hypotension v.a. aufgrund venösen Poolings Smit et al. Journal of Physiology 1999.

17 Klinisches Beispiel

18 Erigo Life Desired reference Heart rate Systolic blood pressure Diastolic blood pressure Controller Stepping frequency (f) Inclination angle (α) Erigo: G. Colombo, R. Rupp, V. Dietz; Hocoma AG 19

19 Erigo Life Desired reference Heart rate Systolic blood pressure Diastolic blood pressure Controller Stepping frequency (f) Inclination angle (α) Erigo: G. Colombo, R. Rupp, V. Dietz; Hocoma AG 20

20 Systembeschreibung Dynamiken Langsame Änderungen über Stunden bis Tage Adaptation externe Stimuli über Minuten Natürliche Oszillationen über Sekunden bis Minuten 21

21 Systembeschreibung HR Abweichungen < 2.5 Schlägen pro Minute und BP Abweichungen < 5 mm Hg sind nicht klinisch bedeutsam 22

22 Agenda Das Immobilitäts Problem Kipptisch mit integrierter Stepperfunktion Messung physiologischer Parameter bei Gesunden Kontrolle physiologischer Parameter bei Gesunden Single Input Single Output Multi Input Multi Output 23

23 Messungen an Gesunden 22 Teilnehmer: 11 Männer, 11 Frauen Zwei Messtage mittleres Alter 25±3.8 Jahre Cardiovaskuläre Parameter Herzfrequenz HR Systolischer Blutdruck sbp Diastolischer Blutdruck dbp Respiratorische Parameter Atemvolumen V T Atemminutenvolumen V E Sauerstoffaufnahme V O2 Kohlendioxidabgabe V CO2 Experimentaufbau Atemfrequenz f B endexspiratorischen CO 2 Partialdruck P ET CO 2 24

24 Messungen an Gesunden 3 Vertikalisierungswinkel 0 /46 /76 4 Stepping Frequenzen 0/19/44/75 spm Beispiel eines Versuchsprotokolls 25

25 Messungen an Gesunden Einfluss von Vertikalisierung und Stepping auf das kardiovaskuläre System Gesunder V S V x S V S V x S V S V x S 26

26 Messungen an Gesunden Einfluss von Vertikalisierung und Stepping auf das respiratorische System Gesunder V S V x S V S V x S V S V S V x S V S V x S V S V x S V x S

27 Agenda Das Immobilitäts Problem Kipptisch mit integrierter Stepperfunktion Messung physiologischer Parameter bei Gesunden Kontrolle physiologischer Parameter bei Gesunden Single Input Single Output Multi Input Multi Output 28

28 Kontrollstrategien Multi Input Single Input Single Output Multi Output (MIMO) (MISO) (SISO) Inclination angle (α) Stepping freq. (f) HR sbp dbp MAP 29

29 Physiologisches Modell lungs head baro receptors CNS hämodynamisches System orthostatische Komponenten (Schwerkraft) right heart venous pool left heart baro reflex Einfluss der Mobilisierung (peripherer Widerstand) peripheral circulation Adapted from Akkerman

30 1. Kontrollstrategie: HR 0% 70.6bpm 100% 86.5bpm 81.7bpm 73.8bpm desired HR [Kupke Tobias et al. 2010]

31 1. Kontrollstrategie: HR 0% 70.6bpm 100% 86.5bpm 81.7bpm 81.8bpm 73.8bpm 74.2bpm desired HR measured HR filtered HR [Kupke Tobias et al. 2010]

32 1. Controller Herausforderungen Patienten sind unterschiedlich Körperbau, Funktionen (z.b. Geschlecht) Erkrankungen Körper ändert sich über die Zeit Blutvolumen Müdigkeit Weiter Herausforderungen MISO (HR, sbp oder dbp) MIMO (HR & MAP) Herkömmliche Controller nicht geeignet 33

33 SISO Controller Inclination angle (α) Disturbance: Stepping (f) HR sbp dbp 34 34

34 SISO Testprotokoll

35 SISO Ergebnisse HR external disturbance external disturbance HR bei Gesunden 36

36 SISO Ergebnisse sbp external disturbance sbp bei Gesunden 37

37 SISO Ergebnisse dbp external disturbance dbp bei Gesunden 38

38 MIMO Controller Inclination angle (α) Stepping freq. (f) HR sbp dbp 39 MAP

39 Kontrolle Herzfrequenz Multi Input Single Output (MISO) Inclination angle (α) Stepping freq. (f) Heart rate (HR) 40

40 MISO Ergebnisse HR Supine Mean Error: 0.41 bpm Std: 3.00 bpm Mean 0.44 bpm Std 3.2 bpm Mean 0.39 bpm Std 2.81 bpm 41

41 Kontrolle HR und MAP Multi Input Multi Output (MIMO) Inclination angle (α) Stepping freq. (f) Heart rate (HR) Mean arterial pressure (MAP) 42

42 MIMO Kontrolle HR und MAP HR Mean Error: 0.38 bpm Std: 3.6 bpm MAP Mean 0.65 bpm Std 4.00 bpm Mean Error: 1.9 mmhg Std: 2.03 mmhg Mean 0.10 bpm Std 3.18 bpm Supine Mean 1.26 mmhg Std 1.89 mmhg Supine Mean 2.53 mmhg Std 2.18 mmhg 43

43 HR MIMO Kontrolle HR und MAP Mean Error: 1.22 bpm Std: 3.54 bpm Mean 0.65 bpm Std 4.00 bpm MAP Mean Error: 4.11 mmhg Std: 2.01 mmhg Mean 0.10 bpm Std 3.18 bpm Mean 2.90 bpm Std 3.44 bpm Mean 8.53 mmhg Std 1.97 mmhg Mean 2.53 mmhg Std 2.18 mmhg Mean 1.26 mmhg Std 1.89 mmhg Experiment on healthy subject 44

44 MIMO Controller Version I Gute Funktion in Simulation Begrenzte Tauglichkeit an Menschen 45

45 MIMO Controller Version II Kombination von modellbasierter Strategie mit adaptativem System Hinzufügen von funktioneller Elektrostimulation 46

46 Frühe Mobilisierung mit Erigo HR Desired reference dbp sbp HR: bpm sbp: mmhg dbp: mmhg Heart rate Systolic blood pressure Diastolic blood pressure Controller Stepping frequency (f) Inclination angle (α) Functional Electrical Stimulation (FES) Erigo: G. Colombo, R. Rupp, V. Dietz; Hocoma AG

47 Integration von FES Courtesy of Hocoma

48 FES Muskelgruppen 49

49 MIMO Controller Version II New MIMO controller Vertikalisierung, Stepping und FES als inputs HR, sbp und MAP als outputs Lernt und erkennt anhand der Körperreaktionen und adapatiert sich online Inclination angle (α) Stepping freq. (f) FES HR sbp MAP 50

50 MIMO Controller Version II Simples Modell Basierend auf Modell [Akkerman, 91], [Gisler, Wieser 2001] Weniger Parameter FES

51 MIMO Controller Version II Reachability Set Erreichbare Werte individuell 52

52 Zusammenfassung Drei neue Strategien SISO controller funktioniert für alle drei Parameter (HR, sbp, dbp) MIMO controller (I) in Simulation erfolgreich MIMO controller (II) FES als weiteres Input erfolgreich (jedoch kein Einfluss der gewählten Amplitude) Reachability Set für jedes Individuum 53

53 Danke für Ihre Aufmerksamkeit! 54

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