Taktgeber gegen Freezing: Ein Gehstock-Hilfsmittel für Menschen mit Parkinson
Die Masterarbeit „Entwicklung eines Systems zur auditiven Unterstützung von Parkinson-Erkrankten mit Freezing-Syndrom“ von Maximilian Wagner wurde im Masterstudiengang Electronic Systems Engineering an der FH Campus Wien verfasst. Die Arbeit beschäftigt sich mit einem technischen Hilfsmittel für Menschen mit Parkinson, bei denen es beim Gehen zu plötzlichen Bewegungsblockaden kommen kann.
Zusammenfassung
Morbus Parkinson zählt zu den häufigsten neurodegenerativen Erkrankungen. Neben klassischen motorischen Symptomen wie verlangsamten Bewegungen, Muskelsteifheit oder Zittern kann bei einem Teil der Betroffenen ein sogenanntes Freezing-of-Gait auftreten. Dabei kommt es beim Gehen zu einer plötzlichen Blockade: Die betroffene Person möchte weitergehen, kann die Bewegung aber für einen Moment nicht fortsetzen. Ein systematischer Review beschreibt eine gewichtete Prävalenz von Freezing-of-Gait von 50,6 % bei untersuchten Parkinson-Patient:innen (Zhang et al., 2021).
Die Masterarbeit greift einen therapeutisch relevanten Ansatz auf: auditive Hinweise. Ein gleichmäßiger Takt oder verbale Hinweise können bei der Bewegungsinitiierung unterstützen und helfen, eine Blockade zu überwinden (Arts et al., 2020). Entwickelt wurde dafür ein kompaktes elektronisches Hilfsmittel, das an einem Gehstock befestigt werden kann. Das System erkennt Bewegungen des Gehstocks, speichert Bewegungsdaten und gibt bei ausbleibender Bewegung eine auditive Unterstützung aus.
Damit zeigt die Arbeit, wie Sensorik, Mikrocontrollertechnik, 3D-Druck und nutzerorientierte Entwicklung zu einem konkreten assistiven System verbunden werden können.
Einführung
Digitalisierung im Gesundheitswesen wird häufig mit elektronischen Akten, Datenplattformen, Telemedizin oder künstlicher Intelligenz verbunden. Ebenso wichtig sind jedoch technische Hilfsmittel, die konkrete Alltagssituationen verbessern können. Gerade bei chronischen neurologischen Erkrankungen können sensorbasierte Systeme dazu beitragen, Einschränkungen besser zu erkennen, Unterstützung bereitzustellen oder Bewegungsdaten für eine spätere Analyse verfügbar zu machen.
Bei Menschen mit Parkinson kann das Gehen im Krankheitsverlauf zunehmend erschwert sein. Besonders kritisch sind Situationen, in denen es zu plötzlichen Bewegungsblockaden kommt. Diese können die Sturzgefahr erhöhen und die Selbstständigkeit im Alltag einschränken. Da viele Betroffene aufgrund posturaler Instabilität ohnehin einen Gehstock verwenden, lag der Ansatz nahe, ein Hilfsmittel direkt an diesem Alltagsgegenstand anzubringen.
Die Arbeit verfolgt damit nicht den Ansatz, ein zusätzliches separates Gerät zu entwickeln, das aktiv getragen, gestartet oder bedient werden muss. Stattdessen wurde ein bestehender Gegenstand des Alltags – der Gehstock – technisch erweitert.
Hintergrund: Parkinson und Freezing-of-Gait
Morbus Parkinson ist eine Erkrankung, bei der Bewegungsabläufe zunehmend beeinträchtigt werden. Zu den typischen Symptomen zählen verlangsamte Bewegungen, Bewegungsverarmung, Muskelsteifheit, Tremor und Haltungsinstabilität (Andreae, 2020). Besonders beim Gehen können Startschwierigkeiten, Engpassprobleme oder Blockaden auftreten.
Freezing-of-Gait beschreibt eine plötzliche Unterbrechung oder Blockade des Gehens. Betroffene bleiben abrupt stehen, obwohl sie weitergehen möchten. Solche Episoden können etwa beim Starten einer Bewegung, bei Richtungswechseln, an Engstellen oder beim Erreichen eines Zieles auftreten. Medikamentös ist dieses Symptom nur begrenzt beeinflussbar. Deshalb sind ergänzende Strategien und Hilfsmittel von Bedeutung (Arts et al., 2020).
Auditive und visuelle Hinweise spielen dabei eine wichtige Rolle. Ein Takt, der die Schrittfrequenz unterstützt, kann als externer Reiz dienen. Auch verbale Hinweise, etwa durch Bezugspersonen, können helfen, eine Bewegung wieder aufzunehmen (Arts et al., 2020).
Technische Idee
Das entwickelte System wurde als kompaktes Zusatzmodul für einen Gehstock konzipiert. Ziel war eine All-in-One-Lösung, die den Gehstock in seiner eigentlichen Funktion nicht behindert. Das Gerät sollte Bewegungen erkennen, bei ausbleibender Bewegung eine auditive Unterstützung ausgeben und Bewegungsdaten für eine spätere Analyse speichern.
Technisch basiert das System auf einem ADXL345-Beschleunigungssensor, der Bewegungen entlang der Längsachse des Gehstocks erfasst. Die Daten werden durch einen ESP32-Mikrocontroller verarbeitet. Über einen Algorithmus zur Peak-Detektion wird erkannt, ob der Gehstock aufgesetzt wurde. Wird über mehrere Sekunden kein Schritt bzw. kein Aufsetzen erkannt, gibt das System über einen Audioverstärker und einen Lautsprecher eine auditive Unterstützung aus. Die Audiodateien können über eine SD-Karte personalisiert werden.
Die Bewegungsdaten werden ebenfalls auf einer SD-Karte gespeichert. Dadurch können sie nachträglich auf einem Computer betrachtet werden. Das eröffnet die Möglichkeit, nicht nur eine akute Unterstützung bereitzustellen, sondern auch Bewegungsmuster und mögliche Freezing-Episoden im Nachhinein zu analysieren.
Anforderungen an das System
Aus der Zielgruppe und den definierten Anwendungsszenarien ergaben sich mehrere technische und nutzerbezogene Anforderungen. Das System sollte am Gehstock befestigt werden können, ohne diesen zu beschädigen. Es sollte die Handhabung des Gehstocks möglichst wenig beeinflussen, Bewegungen zuverlässig erfassen und akustische Signale in einstellbarer Lautstärke ausgeben.
Zudem sollte das Gerät eine ausreichend lange Akkulaufzeit erreichen, Bewegungsdaten speichern und diese zur nachträglichen Ansicht bereitstellen. Die Bedienung sollte möglichst einfach sein. Deshalb wurde ein Konzept umgesetzt, bei dem die Aufzeichnung und Unterstützung durch dreimaliges Aufsetzen des Gehstocks aktiviert und deaktiviert werden.
Gerade dieser Punkt zeigt eine typische Herausforderung in der Entwicklung assistiver Technologien: Eine technisch funktionierende Bedienidee ist nicht automatisch auch alltagstauglich. Die spätere Bewertung des Systems zeigte, dass die Aktivierung und Deaktivierung durch dreimaliges Aufsetzen zwar umgesetzt werden konnte, aber als nicht praktikabel eingeschätzt wurde.
Methodisches Vorgehen
Die Entwicklung erfolgte strukturiert in Anlehnung an das V-Modell. Zunächst wurden medizinischer Hintergrund, Zielgruppe und bestehende technische Hilfsmittel analysiert. Daraus wurden Use Cases und Anforderungen abgeleitet. Anschließend wurden Systemdesign, Hardware, Software und mechanischer Aufbau entwickelt.
Das Systemdesign beschreibt den Signalfluss: Die Bewegung des Gehstocks wird durch einen Sensor erfasst, über ein Sensorinterface an den Mikrocontroller übergeben und dort verarbeitet. Je nach erkannter Bewegung werden Daten gespeichert oder eine auditive Ausgabe ausgelöst. Zusätzlich mussten Energieversorgung, Ladeschnittstelle, Programmierschnittstelle und Speichermöglichkeit berücksichtigt werden.
Die mechanische Realisierung erfolgte über ein Gehäuse aus dem 3D-Druck. Dadurch konnte ein kompakter Aufbau umgesetzt werden, der an einem Gehstock befestigt werden kann. Die Software wurde so gestaltet, dass Bewegungserkennung, Datenverarbeitung, Audioausgabe und Energiemanagement miteinander zusammenspielen.
Ergebnisse
Im Rahmen der Masterarbeit konnte ein funktionierender Prototyp entwickelt werden. Das System verwendet einen ADXL345-Beschleunigungssensor, einen ESP32-Mikrocontroller, einen MAX98357A-Audioverstärker, einen Lautsprecher und eine SD-Karte zur Speicherung der Bewegungsdaten.
Das entwickelte Hilfsmittel konnte an einem Gehstock angebracht werden, ohne diesen in seiner grundlegenden Aufgabe zu behindern. Das Gehäuse wurde mittels 3D-Druck aus PLA gefertigt. Es weist einen Formfaktor von 10,5 × 3,8 × 5,2 cm auf. Das Gesamtgewicht des Systems beträgt etwa 150 g.
Mit aktiver, ununterbrochener Audioausgabe konnte das System mindestens 19 Stunden verwendet werden. Das Gerät aktiviert sich bei Bewegung und wechselt bei Nichtbenutzung in einen Energiesparmodus. Die Bewegungsdaten können gespeichert und später auf einem Computer eingesehen werden.
Ein wesentliches Ergebnis liegt darin, dass die technische Machbarkeit gezeigt werden konnte: Ein kompaktes, am Gehstock befestigtes System zur auditiven Unterstützung bei Freezing-Symptomatik ist grundsätzlich realisierbar. Gleichzeitig zeigte sich ein klarer Verbesserungsbedarf bei der Bedienlogik. Die Aktivierung und Deaktivierung durch dreimaliges Aufsetzen wurde als nicht praktikabel bewertet.
Bedeutung für Digitalisierung im Gesundheitswesen
Die Arbeit zeigt einen wichtigen Bereich der Digitalisierung im Gesundheitswesen: sensorbasierte assistive Technologien. Hier geht es nicht um eine große digitale Infrastruktur, sondern um ein konkretes Hilfsmittel, das eine Alltagssituation unterstützt.
Besonders relevant ist die Verbindung von unmittelbarer Unterstützung und Datenerfassung. Das System gibt nicht nur einen auditiven Reiz aus, sondern speichert Bewegungsdaten für eine spätere Analyse. Dadurch entsteht eine Schnittstelle zwischen technischer Assistenz im Alltag und potenzieller datenbasierter Beobachtung von Bewegungsmustern.
Solche Ansätze sind für die Weiterentwicklung digitaler Gesundheitslösungen interessant. Sie zeigen, wie technische Systeme in Zukunft nicht nur Symptome kompensieren, sondern auch Informationen über Verlauf, Nutzung und Alltagssituationen liefern könnten. Voraussetzung dafür sind jedoch eine sorgfältige Validierung, nutzerfreundliche Bedienung, Datenschutz, technische Sicherheit und eine klare Abgrenzung zwischen Forschungsprototyp, Hilfsmittel und Medizinprodukt.
Technischer Kern des Systems
Das entwickelte Hilfsmittel verbindet mehrere technische Komponenten:
- Beschleunigungssensor zur Erkennung der Gehstockbewegung,
- Mikrocontroller zur Verarbeitung der Sensordaten,
- Algorithmus zur Erkennung von Aufsetzbewegungen,
- SD-Karte zur Speicherung der Bewegungsdaten,
- Audioverstärker und Lautsprecher zur Ausgabe auditiver Hinweise,
- 3D-gedrucktes Gehäuse zur Befestigung am Gehstock.
Damit wird aus einem einfachen Gehstock ein sensorbasiertes assistives System. Der Gehstock bleibt weiterhin Gehhilfe, wird aber um eine digitale Unterstützungsfunktion erweitert.
elektrische Hardware – von a) hinten, b) rechts, c) vorne, d) links
Ausblick
Die Arbeit zeigt, dass eine technische Unterstützung bei Freezing-Symptomatik grundsätzlich in einen Gehstock integriert werden kann. Für eine Weiterentwicklung wären mehrere Punkte relevant. Dazu zählen eine alltagstauglichere Aktivierungslogik, eine kompaktere Integration, eine Prüfung mit der Zielgruppe, eine genauere Bewertung der Detektionsqualität und eine bessere Einbindung in therapeutische Prozesse.
Auch die Auswertung der gespeicherten Bewegungsdaten könnte weiterentwickelt werden. Denkbar wären übersichtliche Darstellungen von Schrittfrequenz, Unterbrechungen, möglichen Freezing-Episoden oder Veränderungen über die Zeit. Damit könnte ein solches System nicht nur akut unterstützen, sondern auch Hinweise für Therapie, Verlaufskontrolle oder Forschung liefern.
Aus Sicht der Digitalisierung im Gesundheitswesen ist die Arbeit ein anschauliches Beispiel dafür, wie technische Entwicklung auf eine konkrete klinische Herausforderung reagieren kann. Sie verbindet Sensorik, Embedded Systems, 3D-Druck und assistive Technologie mit einer klaren Frage: Wie kann ein technisches Hilfsmittel Menschen mit Parkinson im Alltag unterstützen?
Quelle der Arbeit
Wagner, M. (2023). Entwicklung eines Systems zur auditiven Unterstützung von Parkinson-Erkrankten mit Freezing-Syndrom. Masterarbeit, Masterstudiengang Electronic Systems Engineering, FH Campus Wien.
Referenzen
Andreae, S. (2020). Pflegeassistenz: Lehrbuch für Gesundheits- und Krankenpflegehilfe und Altenpflege. Thieme.
Arts, M., Bernartz, S., & Bouska, C. (2020). Ergotherapie im Arbeitsfeld Neurologie. Georg Thieme Verlag.
Gesundheitsportal. (2022). Morbus Parkinson. Österreichisches Gesundheitsportal.
World Health Organization. (2022). Parkinson disease. WHO Fact Sheet.
Ou, Z., Pan, J., Tang, S., Duan, D., Yu, D., Nong, H., & Wang, Z. (2021). Global trends in the incidence, prevalence, and years lived with disability of Parkinson’s disease in 204 countries/territories from 1990 to 2019. Frontiers in Public Health.
Zhang, W.-S., Gao, C., Tan, Y.-Y., & Chen, S.-D. (2021). Prevalence of freezing of gait in Parkinson’s disease: a systematic review and meta-analysis. Journal of Neurology, 268(11), 4138–4150. https://doi.org/10.1007/s00415-021-10685-5
Bildquellen
Titelbild Freepik / Magnific, „Älterer Mann der Seitenansicht, der einen Spaziergang macht“
Beitragsbild: Masterarbeit Wagner M.