Vijftien internationale partners slaan de handen in elkaar om een exoskelet te ontwikkelen voor kinderen met een hersenverlamming. Het ingewikkelde skelet zal hen helpen om beter te leren stappen. Tot nog toe bestonden dergelijke exoskeletten enkel voor volwassenen. Daar wil het MOTION-project verandering in brengen.
Ruim 1 op de 600 kinderen wordt geboren met een hersenverlamming of cerebrale parese. Ongeveer de helft daarvan kan niet stappen zonder hulpmiddelen te gebruiken. De spieren van deze kinderen zijn in principe nog functioneel, maar de aansturing vanuit de hersenen loopt fout. Daarnaast zijn er ook nog een heleboel kinderen die een hersenverlamming op latere leeftijd oplopen door bijvoorbeeld een tumor, een beroerte of een zeker trauma. Het zijn deze kinderen die de onderzoekers willen helpen met het project ‘Mechanised Orthosis for Children with neurological disorders’, of kortweg MOTION.
Eenvoudiger trainen
We concentreren ons op kinderen tussen de 8 en 12 jaar,” verduidelijkt prof. Luc Labey van het departement Werktuigkunde van de KU Leuven. “Aangezien het probleem bij hen vooral in de aansturing van de spieren zit, denken we dat ons exoskelet veel kan betekenen. De hersenen en het zenuwstelsel zijn heel plastische organen. Door veel te oefenen en bij te sturen kan je die aansturing in principe verbeteren. Maar trainen is fysiek en mentaal zwaar. Veel kinderen stoppen op latere leeftijd met stappen en belanden toch nog in een rolstoel. Met een exoskelet kunnen ze op een aangenamere manier meer oefenen.”
Dat beaamt Katrin van Herpe. Zij is arts, gespecialiseerd in fysische geneeskunde en revalidatie. In het kinderrevalidatiecentrum Pulderbos werkt ze dagelijks met kinderen met een hersenverlamming, en weet perfect waar de uitdagingen en kansen liggen.
“Therapeuten moeten op ongelooflijk veel dingen letten als ze kinderen begeleiden die motorisch zwakker zijn,” weet ze uit ervaring. “Je moet het kind rechtop houden, niet laten vallen, het ene been vooruitzetten, maar ook op het ander been letten. Dat is heel belastend voor het kind en de therapeut. In het uur dat de therapeut het kind kan behandelen, zet het uiteindelijk teleurstellend weinig stappen. Dat is erg demotiverend. Deze nieuwe technologie zal de therapeut de kans geven om zich te concentreren op de stapfunctie en het stappatroon, zonder alle andere randvoorwaarden in het oog te moeten houden.”
Bestaande exoskeletten te zwaar voor kinderen
Exoskeletten zijn een hot topic. Voor volwassenen bestaan ze al langer en leverden ze al mooie resultaten op. Waarom revalideren kinderen dan nog niet met exoskeletten? “De exoskeletten die nu bestaan zijn heel zwaar, zegt Van Herpe. “Kinderen zijn niet alleen kleiner en lichter dan volwassenen, maar variëren onderling ook veel meer in lengte en gewicht. Voor volwassenen kan je bij wijze van spreken een small, medium en large maken, maar bij kinderen is er meer maatwerk nodig. Zowel voor de onderdelen waarmee we het exoskelet aan het lichaam bevestigen, als voor de werking van de motor.”
Bovendien zijn de huidige exoskeletten meestal bedoeld voor mensen die totaal niet kunnen stappen, wat de aansturing van het pak eigenlijk eenvoudiger maakt. “De motoren moeten nauwelijks reageren op het gedrag van verlamde patiënten’, legt Labey uit. ‘De robot neemt het stappen over. Het enige wat de patiënt doet, is zijn zwaartepunt verplaatsen om aan te duiden welk been moet bewegen. De doelgroep die wij voor ogen hebben, kan wel nog stappen. Om hun spieren actief te houden, is het de bedoeling dat dit nieuwe exoskelet hun gangpatroon assisteert in de plaats van overneemt. Want als het pak ingaat tegen het stappatroon van deze patiënten, is er een risico op spierletsels of zelfs valpartijen.”
Drie-delig exoskelet
In de eerste fase splitsen de onderzoekers het werk op. Mobilab & care van de Thomas More-hogeschool werkt aan een aangedreven enkel-voetorthese. KU Leuven focust zich op het heupexoskelet. De Franse ingenieursschool HEI bouwt het frame en het volledige exoskelet. De universiteit van Kent gaat aan de slag met de elektronische hardware en de sturing.
Dat doen ze niet alleen om tijd te winnen, maar ook omdat sommige kinderen al geholpen zijn met een deeltje van het skelet. “Onze doelgroep is heel uitgebreid en heeft in meer of mindere mate stapproblemen”, zegt Labey. ‘Er zijn bijvoorbeeld kinderen die vooral een probleem hebben ter hoogte van het enkelgewricht, waarbij de enkelorthese misschien al voldoende hulp kan bieden.’
Corrigeren van het stap-patroon
De verschillende modules hebben dus als taak om het stappatroon te corrigeren. Daarvoor kijken de onderzoekers naar verschillende datasets die het revalidatiecentrum UZ Pellenberg door de jaren heen heeft verzameld. Een enkel en een heup buigen en strekken op een bepaald ritme tijdens het gangpatroon. Door de typische gangpatronen van kinderen met een hersenverlamming en die van leeftijdsgenoten met een normaal gangpatroon naast elkaar te leggen, hopen ze de afwijking vast te leggen die op elk moment tijdens het stappen te zien is. De motor aan het gewricht voegt vervolgens de ontbrekende spierkracht toe om de heup of de enkel in de correcte hoek te krijgen.
“Daarvoor werken we met een aantal ‘gait events’,” legt Labey verder uit. “Een voorbeeld is het moment waarop je contact met de grond maakt. Dat ‘event’ markeert de overgang van de zwaaifase naar de steunfase. Je moet op elk moment weten waar het kind zich precies bevindt in de stapcyclus om de juiste hoek van de heup te kunnen berekenen. Maar het gangpatroon wijkt natuurlijk af bij onze patiënten. Zij maken niet de juiste hoeken.”
“Iemand met een spitsvoet zal bijvoorbeeld niet eerst de grond raken met zijn hiel, maar met zijn tenen. Dat wil zeggen dat een druksensor aan de hiel geen contact met de grond detecteert, maar wel met een toestel aan het onderbeen dat de beweging registreert, denk aan een gyroscoop.”
Het is een uitdaging om die ‘gait events’ robuust genoeg te detecteren, zodat het algoritme ook een verstoord gangpatroon kan detecteren. De events wisselen elkaar af in een kwestie van milliseconden. Als je te laat ingrijpt, valt de patiënt.
Stappen maken is moeilijker dan het lijkt
“Stappen ziet er gemakkelijker uit dan het is,” zegt Van Herpe. “De hersenen moeten ongelooflijk veel spieren dirigeren om op het juiste moment aan te spannen en te ontspannen.”
In een latere fase zullen de onderzoekers de verschillende onderdelen aan elkaar koppelen in één exoskelet. De geïsoleerde motoren moeten met elkaar ‘praten’ om te bepalen waar precies het probleem ligt en kracht bij gegeven moet worden. De universiteit van Kent zoekt uit wat de rol van artificiële intelligentie kan zijn in het uitdenken van een sturingspatroon.
De drie technologieën zullen volgens Van Herpe verschillende snelheden en verschillende doeleinden hebben. “Het exoskelet zullen therapeuten vooral tijdens therapie gebruiken. De enkelorthese echter, zouden patiënten ook naar huis kunnen meenemen. Zo kunnen ze ook thuis oefenen en in beweging blijven.”
Kinderen die de enkelorthese gebruiken, dragen nu ook al een onderbeenspalk. Alleen zit daar geen beweging in. Als je een been vastzet in een hoek van 90° op de enkel, kan de kuitspier niet veel meer doen. Behoud je de bewegingsvrijheid rond de enkel en zet je er een motortje aan, dan kan die spier wel weer tot bewegen komen.
“Stel je zo’n onderbeenspalk voor als een skilaars,” verklaart Van Herpe. “Je kunt er mee stappen, maar het is wel heel lastig. Je hebt weinig bewegingsvrijheid. Stel nu dat die skilaars wel gewoon mee beweegt met je voet en ook nog eens energie bijgeeft op het juiste moment. Dat willen we bereiken.”
‘Elk kind heeft bewegingsvrijheid nodig.’ Katrin van Herpe, arts
Het volledige exoskelet mee naar huis nemen is nog verdere toekomstmuziek. Dan moeten de onderzoekers verschillende ondergronden en obstakels in rekenschap brengen en nog verder sleutelen aan de veiligheid van het pak, de financiering en de kostprijs. Maar Van Herpe koestert wel hoop. “De spieren van kinderen met een hersenletsel verkorten vrij snel, en hun gewrichten kunnen ze moeilijker strekken. Daarom vragen we hen om een uur per dag in een sta-apparaat te staan. Daar zitten wielen aan om er mee te kunnen rondrijden, maar mijn hoop is dat ooit te kunnen vervangen door een exoskelet. Een kind heeft bewegingsvrijheid nodig. Niet alleen vanuit een anatomisch oogpunt, maar ook om de wereld te ontdekken.”
Comfort heeft prioriteit
De ingenieurs die het pak ontwikkelen werken heel nauw samen met de revalidatiecentra om precies te weten waar de kinderen en de therapeuten behoefte aan hebben. En de belangrijkste voorwaarden die zij opleggen, zijn comfort, gebruiksvriendelijkheid en veiligheid. “Als een kind veel zin heeft om iets te doen, dan heeft het niet veel geduld. Jonge kinderen vinden het moeilijk om te wachten, zeker als ze enthousiast zijn’, weet Van Herpe. ‘Als het een halfuur duurt om het pak aan te doen, dan heeft de helft van de kinderen het al gehad.”
Bovendien moeten kinderen zich goed in hun vel voelen, voor ze echt kunnen revalideren. “Kinderen met een hersenverlamming hebben al veel meegemaakt in hun leven,” gaat Van Herpe verder. “We hechten er veel belang aan om een vertrouwensband op te bouwen. Daarom is het ook belangrijk dat de kinderen zich goed voelen bij dat exoskelet. Hoe veilig is het? Hoe comfortabel? Zo’n exoskelet ziet er indrukwekkend uit. Hun benen luisteren niet goed naar hun hersenen, en nu komen er ook nog acties door een machine bij. Dat kan stress opleveren.”
Daar hebben de onderzoekers ook iets op gevonden. Ze ontwikkelen een slim textiel dat in het exoskelet past. Door ECG-signalen, warmteontwikkeling en de zweetproductie te meten, kunnen therapeuten registreren of de kinderen stress hebben in het pak. Daarnaast meet het textiel met EMG-signalen de spieractiviteit. Op basis daarvan kunnen de ingenieurs verbeteringen aanbrengen aan de sturing van het exoskelet.
Eerste testen begin 2021
De eerste testen met de enkelorthese op gezonde mensen zijn alvast positief. De detectie van ‘gait events’ lijkt robuust genoeg om voldoende afwijkingen aan te kunnen. En de eerste testen op patiënten? “Die zouden van start kunnen gaan in het najaar van 2021,” zegt Labey. ‘Alhoewel de coronacrisis misschien voor vertraging heeft gezorgd. We testen eerst alle modules apart en gaan dan weer naar de tekentafel voor het volledige exoskelet.”
Ik heb zo al een paar kinderen in mijn hoofd die met het exoskelet geholpen zouden zijn,” blikt Van Herpe vooruit. “Als het exoskelet toestaat om de revalidatie sneller te starten en meer stappen te zetten, kunnen we een fundamenteel verschil maken voor deze kinderen. Zeker bij kinderen die op latere leeftijd een hersenletsel kregen. Je herstelt namelijk het snelst de eerste dagen, weken en maanden na het hersenletsel.”
En de doelgroep hoeft niet beperkt te blijven tot kinderen met een hersenverlamming. De toepassing zal ook kinderen met een ruggenmergverlamming of een ernstige spieraandoening kunnen helpen. “Exoskeletten zijn heel geavanceerde technologie,” rondt Labey af. “Als we hier een meerwaarde kunnen betekenen en een doorbraak kunnen forceren, zetten we een heel grote stap vooruit.”
Als je dit artikel leuk vindt, lees dan ook:
