Mit eigener Beinkraft velofahren, trotz Querschnittslähmung


Marco Laubacher | ehem. Doktorand | Berner Fachhochschule | 20.12.2018

Mit dem Velo angefahren, ein Fehltritt auf der Baustelle, ein Ski - oder Snowboard Unfall. Alles Situationen die glimpflich ablaufen können. Doch jährlich in rund 250-400 Situationen in der Schweiz, führt ein solcher Zwischenfall zu einer Querschnittslähmung, einem lebensverändernden Ereignis. Der Schweregrad der Lähmung und die davon betroffenen Körpersysteme sind abhängig von der Höhe der Rückenmarksverletzung und wie viel vom Rückenmark durchtrennt ist.

Dass die Betroffenen je nach Schweregrad nicht mehr laufen können, ist meistens nur die offensichtlichste aller Konsequenzen. Nichts mehr fühlen unterhalb der Verletzung, beeinträchtigte Blasen und Darmfunktionen und eingeschränkte Lungenfunktionen sind Konsequenzen, welche von den Betroffenen oft als schlimmer eingestuft werden, als nicht mehr laufen zu können. Dennoch, von uns Fussgängern wird der Verlust dieser Funktion viel stärker wahrgenommen. Wohl auch, weil wir uns kaum vorstellen können was es heisst Berührungen nicht zu spüren oder nicht zu fühlen wann wir auf die Toilette müssen.

 

Beeinträchtigte Funktionen, die direkt durch die Verletzung betroffen sind werden als "primäre Komplikationen" bezeichnet. Diese Lähmungserscheinungen sind oft irreversibel und führen zu weiteren, sogenannt sekundären Komplikationen, wie zum Beispiel Knochen und Muskelschwund oder ein stark erhöhtes Risiko für kardiovaskuläre Krankheiten. Diese sekundären Komplikationen können die Lebensqualität von Betroffenen sehr stark einschränken und stellen eine grosse Belastung dar.

 

Das Motto "Sich bewegen um gesund zu bleiben" gilt nicht nur für uns Fussgänger, noch viel wichtiger ist es für Personen mit einer Querschnittslähmung. Das Mobilisieren und Trainieren des Bewegungsapparates sind wichtige Bestandteile der Rehabilitation um sekundäre Komplikationen vorzubeugen. Die funktionelle Elektrostimulation, kurz FES, bietet dabei eine Möglichkeit die gelähmte Muskulatur aktiv zu bewegen. Mittels auf der Haut aufgeklebten Elektroden, können die Muskelfasern durch leichte Stromimpulse aktiviert werden. Bei koordinierter Aktivierung von verschiedenen Muskelgruppen, kann zum einen das Bewegungslernen gefördert werden und zum anderen können zielgerichtete Bewegungen zum Trainieren generiert werden. Da die Lähmung nicht nur grosse Muskelgruppen für die Fortbewegung betreffen, sondern auch zahlreiche kleinere Muskeln, die für die Stabilisation und das Gleichgewicht des Körpers wichtig sind, eigenen sich vor allem sitzende Sportarten, wie Rudern oder Fahrradfahren auf einem Trike (dreirädriges Liegerad), als Trainingsform mit FES. Die Schwierigkeit besteht nun darin die gewünschte Bewegung zu koordinieren.

 

Bei Fussgängern wird zum Beispiel die bewusste Trettbewegung beim Fahrradfahren durch das Gehirn gesteuert. Der Bewegungsimpuls wird über das Rückenmark an die Muskulatur gesendet und die Kontrolle der Bewegung ist gegeben durch einen ständigen Informationsfluss zwischen den zuständigen Hirnarealen und den Beinen. Das sind hunderte sensorische Informationen, welche helfen die Pedale in Bewegung zu halten. Durch die Verletzung des Rückenmarks kann die Verbindung zwischen den Beinen und dem Gehirn unterbrochen sein. Es sind also nicht mehr nur die Muskeln welche nicht bewegt werden können, sondern vielmehr fehlen dann auch die Informationen wie, wann und wo sich die Beine bewegen. Die Schwierigkeit besteht nun darin, einen Teil dieser Informationen zu kompensieren.

 

Am Institut für Rehabilitation und Leistungstechnologie der Berner Fachhochschule in Burgdorf werden unter Prof. Kenneth Hunt Fahrräder mit FES Systemen entwickelt. Dank diesen Liegerädern können Personen mit einer Querschnittlähmung mit eigener Beinmuskelkraft wieder Fahrrad fahren. Damit das System Mensch-Fahrrad tatsächlich funktioniert, müssen hauptsächlich drei "Systeme" auf einander abgestimmt und koordiniert werden. Ein System ist natürlich das Fahrrad. Eine der speziellen Anpassungen ist, dass es Sensoren an Kurbel und Tretlager enthält, über welche die Position der Beine ermittelt wird. Als weiteres braucht es ein Stimulationssystem. Von den Sensoren erhält dieses System den genauen Zeitpunkt, wann die Muskelstimulation eingesetzt werden muss, damit die entsprechenden Muskeln eine runde Tretbewegung erzeugen. Zu guter Letzt gibt es noch das "System" Mensch, den komplexesten Teil dieses Puzzles. Über einen Drehgriff kann die Person die Stärke der Stimulation kontrollieren und so das Stimulationssystem steuern. Die Stimulationsstärke bestimmt wie stark die Muskeln aktiviert werden, also mit welcher Kraft in die Pedalen getreten werden soll. Damit die gelähmte Muskulatur überhaupt in der Lage ist genügend Leistung zu erbringen, braucht es einen gezielten Trainingsaufbau, der durchaus mit einer Wettkampfvorbereitung eines Langstreckenläufers verglichen werden kann. Hier gilt, je früher mit der Elektrostimulation als Training begonnen werden kann, desto geringer ist der verletzungsbedingte Rückgang der Muskulatur und desto geringer wird der Zeitaufwand für den Wiederaufbau nach der Verletzung des Rückenmarks. Von der bestehenden Muskulatur wird nämlich jede Faser benötigt. Denn einer der Nachteile der Elektrostimulation ist, dass die Muskulatur viel schneller ermüdet und weniger Kraft erzeugt, verglichen mit einer natürlichen, über das Gehirn ausgelösten Bewegung. Durch verschiedene Forschungsarbeiten am Institut von Prof. Kenneth Hunt wurden spezielle Stimulationsmuster und Elektrodenkonfigurationen entwickelt, welche die geleistete Kraft und Ausdauer merklich verbesserten.

 

Die aus diesen Studien gewonnenen Erkenntnisse konnten in die Vorbereitung für den Cybathlon 2016 in Zürich mit einfliessen und der Wettkampf wurde zum Test für das entwickelte Setup. Ein dritter Platz und die Erkenntnis, das schnellste Team mit Oberflächenelektroden zu sein, waren eine Bestätigung für die gute Arbeit des gesamten Teams im Vorfeld. So war dieser Event nicht nur gut für die Verbreitung der Forschungsarbeit, sondern ein schönes Beispiel für deren Anwendbarkeit.

 

Damit das Fahrradfahren mit funktioneller Elektrostimulation, kurz FES - Cycling, im Alltag von einer breiteren Masse einfach angewendet werden kann, braucht es aber noch einiges an Arbeit. So ist das anbringen der Elektroden und deren Abstimmung sehr Zeitintensiv. Auch für den Transfer vom Rollstuhl zum Trike braucht es in der Regel eine Hilfsperson und obwohl die Ausdauerfähigkeit und die Kraft, die mittels FES erzeugt werden schon deutlich gesteigert wurden, liegen sie noch weit unter der von vergleichbar trainierten Fussgängern. Dadurch beschränkt sich die Anwendung von FES - Cycling oft auf ein stationäres System und den Ergometer. Doch auch ohne draussen im Alltag zu fahren ist der Nutzen für Personen mit einer Querschnittslähmung gross. Höhere Knochendichte, verbessertes Herzkreislaufsystem und eine gute Muskulatur, die vor Verletzungen schützen kann, sind nur einige Vorteile dieses Trainings. Mit der Verbreitung dieses Wissens und den neuen technischen Entwicklungen wird das Fahrradfahren mittels funktioneller Elektrostimulation in naher Zukunft auch auf unseren Strassen zu sehen sein und wer weiss, vielleicht wird dann der Motor eines e-Bikes für den Antrieb von gelähmten Beinen zuständig sein und der Begriff e-Bike bekommt eine neue Dimension.

Weitere Informationen zum Cybathlon.

Institut für Rehabilitation und Leistungstechnologie.

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