Der Begriff „Biosensoren“ ist ein Sammelwort für tragbare Anwendungen, die biologische Funktionen erfassen. Die gängigsten Biosensoren sind Akzelerometer mit zunehmenden Anwendungsbereichen als Multi-Sensor-Anwendungen oder elektrodermale Sensoren. Akzelerometer nehmen eine Bewegung bzw. Beschleunigung von Objekten im Raum wahr und im Zuge der technischen Entwicklungen der letzten Jahre werden sie heutzutage bereits in viele „smart devices“ eingebaut (z. B. in Smartphones, Smartwatches etc.). Für Menschen mit Multipler Sklerose (MS) gibt es mittlerweile zahlreiche Studien, die eine Korrelation von Akzelerometriedaten mit der körperlichen Behinderung, insbesondere der Gehfähigkeit, nachweisen können. Sind differenziertere Analysen eines möglicherweise pathologischen Gangbilds notwendig, werden mit modernen dreidimensionalen Ganganalysen einzelne betroffene Muskelgruppen identifiziert. Gezielten Therapien etwa mit Botulinumtoxin oder angepassten Sprunggelenksorthesen werden auf Basis dieser Analysen durchgeführt bzw. angefertigt. Dieser Artikel beschreibt exemplarisch moderne Konzepte digitaler Bewegungsanalysen und gibt einen Ausblick auf mögliche digitale Anwendungsverfahren in der Betreuung von Menschen mit MS.
Hinweise
Hinweis des Verlags
Der Verlag bleibt in Hinblick auf geografische Zuordnungen und Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten und Institutsadressen neutral.
Biosensoren stellen eine bedeutsame technische Entwicklung dar. In der Betreuung von Menschen mit multipler Sklerose bilden sie das Bewegungsverhalten Betroffener ab. Dabei bestechen sie durch ihre Objektivität und ihre hohe zeitliche Auflösung.
Biosensoren und Akzelerometrie
Biosensoren zählen zu Anwendungen der Mobile Health (mHealth), dabei handelt es sich um tragbare Systeme, die verschiedene Körperfunktionen aktiv und passiv aufzeichnen. Folglich geben Biosensoren Informationen über den Gesundheitszustand wieder. Zu den bekanntesten Beispielen für diese Technologie zählen Akzelerometer. Sie werden häufig in Wearables, also tragbaren Geräten oder Anwendungen wie Smartphones und Smartwachtes, verbaut.
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Historisch gesehen waren sogenannte Pedalometer die ersten Sensoren, die die Schrittzahl von Träger:innen aufzeichnen konnten. Akzelerometer verstehen sich als Weiterentwicklung dieses Konzepts. Sie registrieren zusätzlich zur Schrittzahl eine Veränderung der Geschwindigkeit bzw. eine Beschleunigung von Menschen oder Objekten in einer oder mehreren Ebenen. Daraus ergibt sich ihre Fähigkeit, Veränderungen einer Position im Raum zu messen, weshalb sie die Gehfähigkeit, Sturzgefahr, allgemeine physische Aktivität oder den Energieverbrauch von Menschen mit Multipler Sklerose (MS) analysieren können. Darüber hinaus existieren noch spezifischere Biosensoren, die z. B. Funktionen von Augenbewegungen, Herzaktivität oder Körpertemperatur messen.
Pedalometer: die ersten Biosensoren, die die Schrittzahl aufzeichnen konnten
Die erste wissenschaftliche Beschreibung von Biosensoren stammt aus dem Jahr 1975 und widmete sich der Tremoranalyse. Die Technologie und Methodologie der letzten beiden Jahrzehnte haben einen neuen Zugang zu Biosensoren verschafft. Hierzu behelfen wir uns leistungsfähiger Batterien sowie der Entwicklung von mobilen Endgeräten mit Bluetoothverbindungen. Auf der methodologischen Seite trägt die Forschungslandschaft dazu bei, Biosensorsignale zu validieren und klinisch relevante Richtwerte („cut-offs“) zu definieren.
Aktuell existiert die meiste klinische Evidenz für die Verwendung von Akzelerometern. Wissenschaftliche Forschung konnte beispielsweise zeigen, dass subjektive Angaben über den Bewegungsumfang von Menschen mit MS nicht immer mit deren tatsächlichen physischen Leistung übereinstimmt. Akzelerometer liefern eine objektive Größe für das tatsächliche Bewegungsausmaß. Dank des bestehenden Wissens über Bewegungsmuster von Menschen mit MS liefern akzelerometrischen Messungen einerseits Endpunkte in klinischen Studien und ermöglichen damit auch Vergleichswerte zu anderen Populationen, etwa Menschen mit chronisch obstruktiver Lungenerkrankung, Parkinson-Syndromen, Herz-Kreislauf-Erkrankungen oder nach Unfällen. Dies ist mitunter bedeutsam, um wichtige Maßnahmen für individuelle Rehabilitationsprogramme bei Gangstörungen zu ermöglichen.
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Akzelerometer können eine Veränderung der Geschwindigkeit in einer (uniaxial) zwei (biaxial) oder drei (triaxial) Ebenen detektieren. In Observationsstudien von Menschen mit abnormen Bewegungsmustern, etwa wie bei Trisomie 21, Parkinson-Syndrom oder MS, erwiesen sich triaxiale Akzelerometer als besonders zuverlässig.
Im Rahmen einer Übersichtsarbeit wurden 2018 etwa 30 wissenschaftliche Publikationen, die Akzelerometer bei Menschen mit MS untersuchten, beschrieben. Ihre Messergebnisse korrelierten am stärksten mit der tatsächlich zurückgelegten Gehstrecke. Uniaxiale Akzelerometer waren in 2/3 der Fälle die häufigsten angewandten Sensoren zur objektiven Messung des Beweglichkeitsniveaus. Schrittzähler (15 %) und Multisensorsysteme (3 %) waren seltener in Verwendung. Über alle Studien hinweg fanden sich gute Korrelationen der Akzelerometrie mit bekannten klinischen Endpunkten wie etwa dem „timed 25-foot walk test“ (T25FWT) oder „Patient-reported outcome scale“ zur Gehfähigkeit beispielsweise dem MSWS-12 („multiple sklerosis walking scale“) oder den PDDS („patient-determined disease steps“).
Es gibt sogar belastbare Hinweise auf gute Korrelationen von Akzelerometerdaten mit der Expanded disability status scale („EDSS“). Darüber hinaus ist mittlerweile gut untersucht, ob Biosensoren die körperliche Aktivität derart abbilden können, um zwischen Menschen mit MS und „gesunden“ Kontrollpersonen zu unterscheiden. Eine Studie an 102 Menschen mit MS und 22 Kontrollpersonen fand hierbei relevante Unterschiede in den Akzelerometriedaten. Auf Kohortenniveau ist die Schrittlänge bei Menschen mit MS verkürzt und die Schrittgeschwindigkeit verlangsamt. Die Ergebnisse orientierten sich eng am EDSS bzw. dem pyramidalen Funktionsscore. Die Autor:innen konstatierten, dass Akzelerometer somit eine sinnvolle Methode sind, um Gangstörungen bei Menschen mit MS nachzuweisen.
Insgesamt lässt sich festhalten, dass Studiendaten zur Akzelerometrie bei Menschen mit MS dazu beigetragen haben, subtile Gangstörungen zu erkennen, ein mögliches Folgerisiko geringerer körperlicher Aktivität aufzuzeigen, die Erfassung einer posturalen Instabilität zu ermöglichen oder moderne Ergebnisparameter nach rehabilitativen Maßnahmen zu entwickeln. Die PROMS Initiative („global patient reported outcomes for multiple sclerosis initiative“) hat schließlich anerkannt, dass Wearables bzw. Biosensoren in der Lage sein können, Patient-reported outcomes passiv und elektronisch zu erfassen (ePROMS). Wir sprechen in diesem Zusammenhang von einer hohen zeitlichen Auflösung. Das bedeutet, dass Akzelerometer eine große Masse an Daten generieren können, mehr wie etwa Einzelmessungen oder Erhebungen durch einen Fragebogen.
Fallbeispiele und neueste Erkenntnisse zu Analysen von Bewegungsmustern
Eine Quantifizierung des Gangbilds kann (I) beobachtend, (II) kinematisch (2‑D, 3‑D, andere Sensoren), (III) kinetisch (Kräfte, Druck) oder (IV) mittels einer Analyse der Muskelaktivität (Oberflächen-EMG, Dünndraht-EMG) erfolgen. Zu den kinetischen Verfahren zählen Sensorenflächen, die zeitlich-räumliche Komponenten erfassen, z. B. die Schrittlänge (initialer Bodenkontakt zwischen einem Fuß und dem initialen Bodenkontakt des anderen) oder Gangzykluslänge (Distanz des initialen Bodenkontakts desselben Fußes). Zur näheren Betrachtung des Gangbilds spielen bei der zweidimensionalen Ganganalyse Befunde einer Oberflächenelektromyographie („surface EMG“) eine wichtige Rolle. So kann es gelingen, die elektrische Aktivität von einzelnen Muskeln, etwa des M. soleus und M. gastrocnemius, abzubilden und pathologische Veränderungen, z. B. beim Abrollen des Sprunggelenks, abzuleiten und auf abnorme Befunde zu untersuchen (erhöhter Muskeltonus oder verminderte Amplitude).
Ganganalysen helfen bei der Identifikation pathologischer Bewegungsmuster
Derartige Untersuchungen können in eine gezielte Therapie fokaler Überaktivität münden, z. B. durch die lokale Applikation von Botulinumtoxin. Die dreidimensionale Ganganalyse generiert zusätzlich Informationen zu Bewegungsmustern einzelner Gelenke über das Anbringen von Markern, ähnlich einer Lichterkette, an der zu untersuchenden Person (Abb. 1). Anwender:innen gewinnen dadurch Erkenntnisse über z. B. Gelenkwinkel und -geschwindigkeit, Ortskoordinaten, Längen, Wege und Beschleunigungen bei einzelnen Bewegungen. Der Vorteil in der Anwendung von 3‑D-Ganganalysen liegt darin, dass gezieltere rehabilitative Maßnahmen getroffen und individuell angepasst werden können.
Abb. 1
Abstrakte Illustration einer dreidimensionalen Ganganalyse durch das Anbringen mehrerer Biosensoren. Durch die Verwendung verschiedener Marker am Körper können Erkenntnisse über dreidimensionale Bewegungsparameter gewonnen werden (z. B. Gelenkswinkel, Gelenksgeschwindigkeit, Beschleunigungen, Bewegungsmoment etc.). (Copyright Patrick Altmann)
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So können etwa individuell angepasste Übungen zur Stärkung einzelner Muskelgruppen oder eine genauere Anpassung von Orthesen oder eine zielgerichtete Behandlung einer fokalen Spastizität realisiert werden. Als Beispiele für therapeutische Konzepte nach mehrdimensionalen Ganganalysen seien genannt:
das Anbringen von Sprunggelenksorthesen bei eingeschränktem Abrollen des Fußes als Resultat einer Schwäche der Wadenmuskulatur,
die Therapie mit Botulinumtoxin bei reduzierter Kniebeugung in der Schwungphase auf Basis einer Spastizität des M. rectus femoris.
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Der Nutzen der Akzelerometrie und deren Korrelation mit der neurologischen Behinderung bei Menschen mit MS scheint somit etabliert. Im Gegensatz zur Gangfähigkeit berücksichtigt der EDSS, als bekannteste MS rating Skala, im fortgeschrittenem Stadium kaum das Funktionsniveau der oberen Extremitäten. Hier können digitale Technologien eine besondere Ergänzung darstellen. Eine Studie in Spanien untersuchte die Nutzbarkeit der „smartphone tapping speed“, also der Anzahl an Fingerschlägen pro Sekunde, bei der Bedienung eines Smartphones. Die Arbeitsgruppe untersuchte an 50 Menschen mit MS (62 % Frauen, medianer EDSS bei 2,0, 80 % schubförmige MS), ob die mediane Tippgeschwindigkeit mit bekannten Ergebnisskalen (EDSS, „nine hole peg test“ [9HPT], „timed 25 foot walk test“ [T25FWT] und dem „single digital modalities test“ [SDMT]) korreliert. Die Autor:innen postulieren eine gewisse Korrelation der Fingergeschwindigkeit mit dem EDSS (rho −0,54), dem 9HPT (rho −0,54), dem T25FWT (rho −0,65) und dem SDMT (rho 0,57). In einer explorativen Subanalyse fand sich sogar eine Assoziation zwischen der Fingergeschwindigkeit und der MS-Erkrankungsdauer (rho −0,39).
Eine virtuelle Zukunft?
In der Literatur werden verschiedene Szenarien für die künftige Anwendung von Biosensoren diskutiert. Hierzu zählen das Metaverse, Digital Twins und Smart Cities. Metaverse beschreibt eine Art virtuelle Realität. Ein solcher Interaktionsraum könnte Menschen mit MS in ihrer motorischen und kognitiven Rehabilitation unterstützen, was sich auf neuronale Plastizität und psychosoziale Gesundheit auswirken kann. Ein digitaler Zwilling (englisch: digital twin) beschreibt einen virtuellen Avatar, der ein Abbild einer realen Person mit MS und all ihren biologischen Faktoren (Genetik, Komorbiditäten, psychosoziales Umfeld) darstellen soll. Diese Art der Simulation verspricht individuelle Prognosen über den Krankheitsverlauf und die a priori Untersuchung der Verträglichkeit von Medikamenten.
Simulationen können klinische Entscheidungen erleichtern
Dies würde möglicherweise die Bedingungen, unter denen klinische Entscheidungen getroffen werden, optimieren. Smart Cities sind hoch technologisierte Ballungsräume, die Biosensoren verwenden, um Ressourcen und Dienstleistungen effizient nutzbar zu machen. Für Menschen mit MS könnte das einen niederschwelligeren Zugang zu Gesundheitsleistungen ermöglichen, was wiederum die Lebensqualität verbessern könnte.
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Ausblick
Technologische Entwicklungen erlauben die Analyse von Ergebnisparametern in einer hohen zeitlichen Auflösung. Der Aufwand ist im Vergleich zu ambulanten Einzelmessungen oder -beobachtungen relativ gering, da Biosensoren objektiv und passiv Daten generieren. Die Korrelation mit bereits etablierten Messgrößen wie dem EDSS, 9HPT, T25FWT und SDMT ist nachweisbar. Die Bedeutung für die Zukunft ist kaum zu überschätzen: Das Bewegungsausmaß einer Person in ihrem natürlichen Umfeld liefert einen profunderen Einblick in ein Leben mit MS, als ein aktiv durchzuführender Test im Behandlungskontext. Biosensoren liefern zeit- und kontextunabhängige Daten. Der Schwung des Reflexhammers und das Kommando für das Vorhalten der Arme werden weiterhin Teil einer klinisch neurologischen Untersuchung bleiben, auch wenn diese zeitlich und örtlich begrenzt ist. Ob der neuen digitalen Möglichkeiten für das virtuelle Patient:innenmonitoring sollten wir aber das Bewusstsein bewahren, dass die therapeutische Beziehung, die zwischen Patient:innen und Ärzt:innen entsteht, niemals durch Avatare ersetzt werden kann.
Fazit für die Praxis
Akzelerometer haben sich als sinnvolle Informationsquelle über das Aktivitäts- und Bewegungsniveau von Menschen mit MS erwiesen.
Aus der Akzelerometrie gewonnene Daten korrelieren gut mit etablierten MS-Outcomeparametern (etwa dem EDSS, 9HPT, T25FWT oder SDMT).
Biosensoren zeichnen sich durch ihre hohe zeitliche Auflösung und eine ressourcengünstige Anwendung aus.
Dreidimensionale Ganganalysen mit integrierter Oberflächenelektromyographie eignen sich in der Beurteilung pathologischer Gangmuster und ermöglichen so eine gezielte Therapie durch individuelle Anpassung von Orthesen oder einer lokalen Therapie mit Botulinumtoxin.
Einhaltung ethischer Richtlinien
Interessenkonflikt
P. Altmann, R. Stark und B. Fasching geben an, dass in Bezug auf diesen Artikel kein Interessenkonflikt besteht.
Für diesen Beitrag wurden von den Autor/-innen keine Studien an Menschen oder Tieren durchgeführt. Für die aufgeführten Studien gelten die jeweils dort angegebenen ethischen Richtlinien.
Open Access Dieser Artikel wird unter der Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz veröffentlicht, welche die Nutzung, Vervielfältigung, Bearbeitung, Verbreitung und Wiedergabe in jeglichem Medium und Format erlaubt, sofern Sie den/die ursprünglichen Autor(en) und die Quelle ordnungsgemäß nennen, einen Link zur Creative Commons Lizenz beifügen und angeben, ob Änderungen vorgenommen wurden.
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Diagnose und Therapie der MS können für Patient*innen und Neurolog*innen mit Herausforderungen einhergehen [1,2]. Mit umfangreichen Servicemaßnahmen klärt Biogen Ärztinnen und Ärzte über mögliche Therapieoptionen auf und unterstützt diese bei der Fortbildung sowie Betroffene im Alltag.
