{"id":224,"date":"2011-04-02T17:02:42","date_gmt":"2011-04-02T17:02:42","guid":{"rendered":"http:\/\/bigdyspro.de\/de\/?page_id=224"},"modified":"2011-04-03T15:29:38","modified_gmt":"2011-04-03T15:29:38","slug":"forschungsvorhaben","status":"publish","type":"page","link":"http:\/\/bigdyspro.de\/de\/?page_id=224","title":{"rendered":"Forschungsvorhaben"},"content":{"rendered":"

Schlucken ist ein lebensnotwendiger, komplexer Prozess. Gesteuert \u00fcber kortikale Prozesse, die im Stammhirn koordiniert werden, muss f\u00fcr einen Schluck eine Vielzahl von Muskeln zeitgerecht aktiviert werden. Die Steuerung dieser Abl\u00e4ufe erfolgt in Abh\u00e4ngigkeit von der Schluckphase bewusst und\/oder unbewusst. St\u00f6rungen des Schluckablaufs k\u00f6nnen dramatische Folgen haben. Neben einer Fehlern\u00e4hrung drohen Folgeerkrankungen wie Lungenentz\u00fcndungen, die fatal verlaufen k\u00f6nnen. Ursache f\u00fcr Schluckst\u00f6rungen sind vor allem Sch\u00e4delhirntraumen und Schlaganf\u00e4lle. Jeder zweite Schlaganfallpatient leidet unter Schluckst\u00f6rungen, wobei bei einem Viertel der Patienten die Probleme dauerhaft sind.<\/p>\n

Aufgrund der komplexen Strukturen f\u00fcr die Steuerung des Schluckvorgangs bestehen erhebliche Differenzen in den Auspr\u00e4gungen der Schluckst\u00f6rungen. Dabei nimmt der zeitgerechte und vollst\u00e4ndige Verschluss des Kehlkopfes beim Schluckablauf als Gabelung zwischen Luftr\u00f6hre und Speiser\u00f6hre eine zentrale Rolle ein. Gelingt der Verschluss nicht vollst\u00e4ndig, kommt es zu einem \u00dcbertritt von Speichel oder Nahrungsmitteln in die Atemwege, mit den beschriebenen fatalen Folgen.<\/p>\n

Prim\u00e4res Ziel einer Rehabilitation von Schluckst\u00f6rungen ist die Wiederherstellung der gest\u00f6rten Funktionen und Abl\u00e4ufe. Dies kann zum einen durch die Reorganisation zentraler Strukturen, z.\u00a0B. durch Stimulation, erfolgen oder durch mechanische Unterst\u00fctzung beim Schluckvorgang, z.\u00a0B. durch Schluckman\u00f6ver. Voraussetzung f\u00fcr einen Rehabilitationserfolg ist ein nach der Sch\u00e4digung ausreichendes kortikales Potenzial und eine Verbindung des Kortex zu den sensorischen Arealen und Muskeln. Fehlen diese Verbindungen oder fehlen die sensorischen Information zur Steuerung der motorischen Abl\u00e4ufe oder k\u00f6nnen die Muskeln nicht in ausreichendem Ma\u00dfe angesteuert werden, ist eine Rehabilitation der Schluckvorg\u00e4nge nicht m\u00f6glich und der Patient bleibt auf eine Ern\u00e4hrung \u00fcber eine Sonde und eine Trachealkan\u00fcle zum Schutz vor einer Aspiration angewiesen. In diesen nach derzeitigem wissenschaftlichen Erkenntnisstand aussichtslosen F\u00e4llen kann eine zus\u00e4tzliche elektrische Stimulation der am Schlucken beteiligten Muskeln sinnvoll sein. Dabei k\u00f6nnen zum Schutz vor einer Aspiration zwei m\u00f6gliche Stimulationsans\u00e4tze unterschieden werden:<\/p>\n

1.)\u00a0\u00a0\u00a0 Durch Stimulation von Muskeln der \u00e4u\u00dferen Kehlkopfmuskulatur kann eine Hebung des Kehlkopfes erzielt werden.<\/p>\n

2.)\u00a0\u00a0\u00a0 Durch Stimulation der inneren Kehlkopfmuskeln kann ein Verschluss der Stimmb\u00e4nder erreicht werden.<\/p>\n

Die Stimulation der Muskulatur kann sowohl transkutan oder intramuskul\u00e4r erfolgen. Verschiedene Studien zeigen, dass eine intramuskul\u00e4re Stimulation einer transkutanen deutlich \u00fcberlegen ist.<\/p>\n

Unabdingbare Voraussetzung f\u00fcr eine erfolgreiche Stimulation im Schluckablauf ist das zeitgerechte Ausl\u00f6sen der elektrischen Reize. In bisher vorliegenden Studien erfolgte die Stimulation durch den Patienten mit einem Handschalter. Alternativ wurde eine EMG-Triggerung der Stimulation vorgeschlagen.<\/p>\n

Alle bisher vorgestellten Stimulationssysteme weisen den Mangel auf, dass keine direkte Messung des Stimulationserfolges und damit keine geregelte Stimulation m\u00f6glich sind. Der Goldstandard zur Bewertung des Schluckvorgangs, die Videofluoroskopie, ist aufgrund der Strahlenbelastung und des enormen ger\u00e4tetechnischen Aufwands f\u00fcr den automatisierten, t\u00e4glichen Einsatz nicht geeignet. \u00c4hnlich verh\u00e4lt es sich mit der Endoskopie.<\/p>\n

Vorarbeiten<\/strong><\/p>\n

Wir haben ein neuartiges Bioimpedanz-Messverfahren entwickelt, das Aussagen \u00fcber den Grad des Verschlusses des Kehlkopfes und \u00fcber das Auftreten von Aspirationsereignissen erm\u00f6glicht. Unter dem Verschluss des Kehlkopfes ist die Bewegung des Kehlkopfes gegen den Zungengrund zu verstehen. Grundlage des Verfahrens sind Messungen der Bioimpedanz in zwei Bereichen des Halses w\u00e4hrend des Schluckvorgangs. F\u00fcr die Echtzeit\u00aderfassung der Bioimpedanz\u00e4nderungen\u00a0 wurde ein neuartiges BI-Messger\u00e4t entwickelt, das auch die durch Stimulation ausgel\u00f6sten Bewegungen oder Kr\u00e4fte (unter isometrischen Bedingungen) erfassen kann. Neben der Anwendung Schlucken wurde das System bereits f\u00fcr die Messung und Regelung der Fu\u00dfhebung bei einem Fallfu\u00dfstimulator verwendet.<\/p>\n

Verschiedene Autoren berichteten bereits zuvor von einer \u00c4nderung der Bioimpedanz im Halsbereich beim Schlucken, wobei das Profil der Bioimpedanz den Ereignissen im Schluck\u00adablauf zugeordnet wurde. Die Antragsteller konnten zus\u00e4tzlich f\u00fcr die von ihnen verwendete Messanordnung (4-Elekroden-Methode; separate transkutane Strom- und Spannungselektroden) zeigen, dass die \u00c4nderung des Betrages der Bio\u00adimpedanz beim Schlucken mit dem Abstand von Kehlkopf und Zungenbein korreliert (siehe Abbildung 1). Der Nachweis wurde in einer Pilotstudie mit zwei Patienten erbracht. Bei den Patienten, die sich zur Diagnostik einer b\u00f6sartigen Erkrankung au\u00dferhalb des Bioim\u00adpedanzmessbereichs einer Videofluoroskopie unterziehen mussten, wurde gleichzeitig eine Messung der BI durchgef\u00fchrt. Die Spannungselektroden fanden sich beidseitig in H\u00f6he des Schildknorpelhorns, die Einspeisung des Stroms erfolgte beidseitig auf dem M. sternocleidomastoideus.<\/p>\n

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Abbildung 1: Korrelation von BI-\u00c4nderung und Atemwegsverschluss<\/strong><\/p>\n

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Abstand bezeichnet den Abstand zwischen Zungenbein (Hyoid) und Kehlkopf (Larynx). Die lineare Regression von BI-\u00c4nderung und Abstand ergab die Korrelationskoeffizienten RProband1 = 0,65 und RProband2 = 0,51.<\/p><\/div>\n

Anhand der BI-Messung wurden somit Ver\u00e4nderungen im Bereich oberhalb des Kehlkopfes beim Schlucken erfasst, einem Bereich, der f\u00fcr einen Schutz vor einer Aspiration beim Schlucken verschlossen werden muss.<\/p>\n

Wir konnten in einem weiteren Versuch an einem Tierpr\u00e4parat (Rinderkehlkopf) demonstrieren, dass mittels BI-Messung die Detektion einer Aspiration von au\u00dfen durch den Schildknorpel hindurch m\u00f6glich ist. Hierf\u00fcr wird die BI in H\u00f6he der Stimmb\u00e4nder durch auf das Kehlkopfskelett angebrachte Nadelelektroden gemessen. Zur Simulation einer Aspiration wurden verschiedene Fl\u00fcssigkeiten w\u00e4hrend der Messung durch den Kehlkopf geleitet. Die Passage der Fl\u00fcssigkeiten \u00fcber die Stimmbandebene konnte anhand der BI-\u00c4nderung sicher identifiziert werden (siehe Abbildung 2).<\/p>\n

Abbildung 2:\u00a0 \u00c4nderung der Bioimpedanz bei Aspiration<\/strong><\/p>\n

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Dargestellt ist die Passage von Wasser (A1), Joghurt (B), Wasser (A2), Butter\u00acmilch (C). Die \u00c4nderung der Bioimpedanz ist abh\u00e4ngig von der Ionisierung der Fl\u00fcssigkeiten. Der \u00dcbergang zwischen B und A2 bezeichnet den \u00dcbertritt von Joghurt, der mit Wasser abgesp\u00fclt wurde, \u00fcber die Stimmb\u00e4nder.<\/p><\/div>\n

Klinische Bedeutung<\/strong><\/p>\n

Die Entwicklung einer Neuroprothese f\u00fcr die Behandlung von Schluckst\u00f6rungen ist von hervorragender klinischer Bedeutung. Sie w\u00fcrde der Rehabilitation von Schluckst\u00f6rungen eine neue, zukunftweisende Perspektive er\u00f6ffnen. Bis zum heutigen Zeitpunkt stehen nur wenige valide Therapieoptionen in der Behandlung von neurogenen Schluckst\u00f6rungen zur Verf\u00fcgung. In den meisten F\u00e4llen erfolgen bei Patienten mit einer schwerwiegenden Schluckst\u00f6rung nach der Diagnose die Anlage einer Trachealkan\u00fcle zu Minimierung der Aspiration sowie die Verwendung einer PEG zur Sicherung der Ern\u00e4hrung. Im Weiteren ist eine intensive, langandauernde Rehabilitation mit ungewissem Therapieausgang notwendig. Dieser Prozess nimmt in vielen F\u00e4llen Jahre in Anspruch. Dabei ist der Patient in dieser Zeit best\u00e4ndig auf eine 24-Stunden Betreuung, Rehabilitation und medizinische Hilfe angewiesen. Dies ist eine erhebliche Belastung f\u00fcr Patienten, Angeh\u00f6rige und Kostentr\u00e4ger. Gelingt es durch die unterst\u00fctzenden Ma\u00dfnahmen einer geregelten Stimulation im Rahmen einer Neuroprothese diesen Verlauf zu ver\u00e4ndern und zu verk\u00fcrzen, bedeutete dies f\u00fcr die Patienten eine deutliche Verminderung ihrer Behinderungen, eine Verbesserung ihrer Lebensqualit\u00e4t und eine erhebliche Einsparung f\u00fcr die Kostentr\u00e4ger.<\/p>\n

Zukunftweisend f\u00fcr die Rehabilitationsmedizin ist der Einsatz einer iterativen Prothesenregelung. Sie soll sich entsprechend der F\u00e4higkeiten des Patienten anpassen und soll auf diese Weise die zentrale Rehabilitation f\u00f6rdern. Dieses Konzept hat f\u00fcr viele weitere Teilbereiche der motorischen Rehabilitation einen erheblichen Stellenwert.<\/p>\n

Fragestellung und Ziele des Forschungsvorhabens<\/strong><\/p>\n

Die Arbeitshypothese des geplanten Vorhabens lautet, dass durch Verwendung von Bioimpedanzmessungen eine Regelung des Schluckablaufs durch gezielte Anpassung der Muskelstimulationen m\u00f6glich ist. Die Stimulation soll dabei entsprechend der F\u00e4higkeiten des Patienten und der sich \u00e4ndernden Schluckbedingungen (z.\u00a0B. Konsistenz der Nahrung) automatisch angepasst werden. Ziel des Projektes ist der Nachweis der Machbarkeit einer geregelten Neuroprothese f\u00fcr das Schlucken basierend auf einer mehrkanaligen Bioimpedanz- und EMG-Messung (Abbildung 3).<\/p>\n

Mit dem geplanten Projekt sollen folgende technische und medizinische Fragen beantwortet werden:<\/p>\n

    \n
  1. Was sind die geeigneten Mess- und Stimulationspunkte f\u00fcr eine Neuroprothese?<\/li>\n
  2. Wie lassen sich Stimulationsartefakte effizient aus den BI- und EMG-Messungen entfernen?<\/li>\n
  3. Kann basierend auf einer mehrkanaligen EMG-Ableitung eine Schluckintention zuverl\u00e4ssig erkannt und eine Stimulation ausgel\u00f6st werden?<\/li>\n
  4. Wie l\u00e4sst sich schaltungs- und messtechnisch eine mehrkanalige BI- und EMG-Messung f\u00fcr eine implantierbare Neuroprothese realisieren?<\/li>\n
  5. K\u00f6nnen Stimulations- und Messelektroden kombiniert werden, um den Aufwand der Implantation von Elektroden f\u00fcr ein zuk\u00fcnftiges Implantat zu verringern?<\/li>\n
  6. Kann durch Iterativ Lernender Regelung (ILR) eine Adaption der Stimulation entsprechend der F\u00e4higkeiten des Patienten erfolgen?<\/li>\n
  7. Ist mit dem System ein ausreichender Schutz der Atemwege m\u00f6glich?<\/li>\n
  8. Kann eine Aspiration zuverl\u00e4ssig erkannt werden und kann ein Husten oder R\u00e4uspern als Gegenma\u00dfnahme ausgel\u00f6st werden?<\/li>\n<\/ol>\n

    Abbildung 3: Modell des geplanten Mess- und Stimulationssystems als Grundlage f\u00fcr eine Neuroprothese.<\/strong><\/p>\n

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    Gekennzeichnet sind die Stimulationsorte (suprahyoidale Muskulatur; N. layngeus superior und N. vagus) und die Messpunkte f\u00fcr EMG und Bioimpedanz.<\/p><\/div>\n\n\n\n\n
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