Im Ergebnis entstand ein softwarebasierter Demonstrator, der immersive VR-Übungen mit EEG-/EMG-basiertem Closed-Loop-Feedback, Neurofeedback-Komponenten und therapierelevanten Interaktionsmechanismen verbindet.

Das Projekt erschließt für VTplus ein relevantes Entwicklungsfeld in der digitalen Neurorehabilitation. Gleichzeitig zeigt REHALITY, wie sich wiederverwendbare Plattformbausteine aus virtueller Realität, Biosignalverarbeitung und therapeutischer Steuerung auf zusätzliche medizinische Anwendungsfelder übertragen lassen.

Hintergrund: Warum virtuelle Realität in der Neurorehabilitation?

Jährlich erleiden in Deutschland rund 270.000 Menschen einen Schlaganfall und weltweit wird von ca. 12,2 Mio. Fällen ausgegangen. Betroffene sind auf langwierige, möglichst frühzeitig verfügbare neurologische Rehabilitationsmaßnahmen angewiesen. Trotz erheblichem Ressourceneinsatz sind die Möglichkeiten für individualisierte Therapie häufig begrenzt.

REHALITY setzte deshalb auf eine digitale Therapie mit VR-Umgebungen und motivierenden Interaktionselementen, um zusätzliche, individualisierbare Übungen zu ermöglichen. Ein wesentlicher Gedanke des Projekts war dabei, die Versorgungslücke zwischen stationärer Akutbehandlung, Rehabilitation und einer perspektivischen Anwendung zuhause zu verkleinern.

Ziel des VTplus-Teilvorhabens

Ziel von VTplus war die Umsetzung eines Demonstrators, der Rehabilitationsübungen mit Virtueller Realität mit einer auf Hirn- und Muskelsignalen basierten zeitlichen Ansteuerung therapierelevanter Übungsschritte kombiniert.

Die Therapie soll damit auf die Bedürfnisse der einzelnen Betroffenen abgestimmt werden und gleichzeitig ein motivierendes, immersives Bewegungserleben ermöglichen. Therapeutische Übungen sollten – je nach Schweregrad der Einschränkung – selbstständig und unabhängig durchgeführt werden können, sodass Patientinnen und Patienten aktiv zum eigenen Rehabilitationserfolg beitragen können.

Vorgehen: Systemkonzeption, Closed-Loop-Architektur und Integration

VTplus entwickelte in enger Abstimmung mit dem Universitätsklinikum Tübingen und dem Institut für Games der Hochschule der Medien Stuttgart das Systemkonzept sowie die Software- und Systemarchitektur. Dazu gehörten die Definition von Systemfunktionen, Komponenten, Kommunikationsstrukturen und Schnittstellen sowie die Festlegung der relevanten Sensortechnik.

Zunächst wurde die Fokussierung auf eingeschränkte Bereiche des Oberkörpers, insbesondere Arme und Hände, beschlossen. Ergebnis dieser Phase war die Spezifikation eines vollintegrierten VR-Systems mit Closed-Loop-Hardware-Schnittstelle.

Im weiteren Projektverlauf wurden VR-Inhalte, Biosignalverarbeitung, Neurofeedback-Komponenten und therapeutische Steuerungsmodule in einer gemeinsamen Architektur zusammengeführt. Die Biosignalverarbeitung wurde um eine Neurofeedback-Komponente erweitert, ergänzt durch Schnittstellen zur Anbindung externer Sensorik und Datenströme.

Ergebnis: Demonstrator für individualisierte VR-Rehabilitationsübungen

Als Projektergebnis entstand ein Neurorehabilitations-Demonstrator mit virtueller Realität und EEG-/EMG-basierter Ansteuerung. Der Demonstrator verbindet immersive virtuelle Umgebungen mit einem Closed-Loop-Ansatz, bei dem physiologische Signale für die zeitliche Steuerung therapierelevanter Schritte genutzt werden. Damit wurde die Grundlage für individualisierte digitale Rehabilitationsübungen geschaffen, die über klassische, rein manuell angeleitete Trainingsformen hinausgehen.

Ein zentrales therapeutisches Prinzip von REHALITY besteht darin, auch stark eingeschränkten Personen ein simuliertes Bewegungserleben zu ermöglichen. Durch den Einsatz hoch immersiver virtueller Umgebungen können Patientinnen und Patienten einen Bewegungserfolg wahrnehmen, auch wenn die reale Bewegung nur eingeschränkt möglich ist.

Virtuelle Umgebungen, Avatar und Interaktion

Für REHALITY wurden spezifische VR-Umgebungen und Avatar-Funktionen ausgearbeitet. Dazu gehörten unter anderem virtuelle Trainingssituationen, Kalibrierungs- und Interaktionsbereiche sowie die Ausgestaltung von Avatar-Funktionen für die Veranschaulichung und Rückmeldung von Bewegungen.

Die Umsetzung zielte darauf, therapeutisch relevante Bewegungen, Interaktionsschritte und Feedbackprozesse in einer immersiven und kontrollierbaren Umgebung abzubilden. Ergänzend wurden einzelne Systemkomponenten wie Eye-Tracking-Integration, grafische Benutzeroberflächen sowie App-basierte Übungs- und Therapiesteuerung getestet.

Zusammenarbeit im Forschungsverbund

REHALITY bündelte Expertise aus klinischer Hirnforschung und Neurologie (Universitätsklinikum Tübingen), Interaktiven Medien, Serious Games und Virtual Reality (Hochschule der Medien Stuttgart / Institut für Games) sowie der Anwendung Virtueller Realität für Forschung und Therapie (VTplus GmbH).

VTplus brachte evaluierte VR-Szenarien, virtuelle Charaktere und die Erfahrung ein, virtuelle Umgebungen um Biosignal-Schnittstellen und motivierende Interaktionselemente zu erweitern.

Anschlussfähigkeit

Aus technologischer Sicht ist REHALITY vor allem als entwickelter Demonstrator und dokumentierter Entwicklungspfad relevant. Das Projekt zeigt, wie die VTplus-Technologieplattform um Bausteine für Biosignalverarbeitung und adaptive therapeutische Steuerung erweitert werden kann.

REHALITY belegt damit auch die Anschlussfähigkeit der VTplus-VR-Plattform für weitere medizinische Einsatzfelder, insbesondere in der Neurologie und Rehabilitation.

Projekt: REHALITY – Closed-loop Softwaresystem zur Neurorehabilitation nach Schlaganfall durch personalisiertes EEG/EMG-Hirnzustand-gesteuertes Virtual Reality-Therapieparadigma
Teilvorhaben VTplus: Erarbeitung eines Neurorehabilitations-System-Demonstrators mit virtueller Realität und EEG-Ansteuerung
Förderkennzeichen: 13GW0213D
Laufzeit: 01.04.2019 – 31.12.2022
Veröffentlichungsdatum des Schlussberichts: 30.06.2023

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Das Verbundvorhaben REHALITY wird im Rahmen der Fördermaßnahme „Medizintechnische Lösungen für eine digitale Gesundheitsversorgung, im Rahmenprogramm Gesundheitsforschung Deutschland, Aktionsfeld Gesundheitswirtschaft durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.

Bild zum Verbundprojekt: Patient erlebt in virtueller Realität Bewegung der durch Schlaganfall betroffenen Extremität. © Neurologische Universitätsklinik Tübingen und VTplus GmbH

MOTIVATION

Jedes Jahr erleiden in Deutschland 270.000 Menschen einen Schlaganfall und sind gezwungen einen langen und mühsamen Weg der Neurorehabilitation zu gehen, um die körperliche und geistige Funktionsfähigkeit wieder soweit herzustellen, dass eine gesellschaftliche und berufliche Reintegration möglich wird. Trotz des hohen Ressourceneinsatzes für neurologische Rehabilitationsmaßnahmen sind die zeitlichen Möglichkeiten der Physio-, Ergo- und Logotherapeuten für eine Individualtherapie jedoch eng begrenzt.

INNOVATION

Großes Potenzial für eine schnellere und erfolgreichere Therapie des chronischen Schlaganfalls bieten zusätzlich eigenständig durchführbare digitale Therapiekonzepte mit Hilfe Virtueller Realität (VR). Die Wahrnehmung einer Bewegung des gelähmten Körperteils in der virtuellen Welt kann den Heilungsprozess begünstigen. Neue Forschungsergebnisse zeigen, dass der Zustand des Gehirns zum Zeitpunkt der Stimulation entscheidend dafür ist, ob es zu einer plastischen Veränderung der Hirnnetzwerke kommt oder nicht.
Der Therapieerfolg erfordert aber neben hoch-immersiver virtueller Realität ein auf den einzelnen Patienten abgestimmtes Steuersystem: Jeder Mensch und auch jeder Schlaganfall ist einzigartig und eine optimale Therapie muss auf die spezifische Störung der Hirnaktivität ab-gestimmt sein. In diesem Projekt wird der intensive Forschungs- und Entwicklungsprozess umgesetzt, der die technisch zunehmend hochentwickelten VR- und Elektroenzephalographie (EEG) Hardwaresysteme auch therapeutisch wirksam macht.

PERSPEKTIVE

Diese neue Therapieform soll die Versorgungslücke zwischen stationärer Akutbehandlung im Krankenhaus, Rehabilitationsmaßnahme und den Therapiemöglichkeiten im häuslichen Umfeld schließen, dadurch auf Seiten der Kranken- und Sozialkassen erhebliche Folgekosten einsparen und den erfolgreichen Wiedereinstieg von Schlaganfallpatienten in ein eigenständiges Leben und eine Erwerbsfähigkeit beschleunigen.

KONTAKT

VTplus GmbH Kontaktformular
Projektleitung Teilvorhaben VTplus: Dr. Bastian Lange (rehality@vtplus.eu)
Verbundkoordinator Neurologische Universitätsklinik Tübingen: Prof. Dr. Ulf Ziemann

Weitere Beiträge zum Projektverlauf und zu Ergebnissen finden Sie unter: Beiträge zum Projekt REHALITY ›.

REHALITY, Förderkennzeichen VTplus 13GW0213D,
Laufzeit: 01.04.2019 bis 31.03.2022
gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung

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