Stu­di­en­ergeb­nis­se zu den Vor­tei­len eines akti­ven Prothesenfußes

Ein­lei­tung

Der mensch­li­che Waden­mus­kel erzeugt nahe­zu 80 % der zum Gehen erfor­der­li­chen mecha­ni­schen Arbeit ¹² . Das Modell „Empower“ (eine Wei­ter­ent­wick­lung des Modells „BiOM T2“) ist der ers­te und ein­zi­ge kom­mer­zi­ell erhält­li­che Pro­the­sen­fuß mit akti­vem Antrieb, der die Funk­ti­on des mensch­li­chen Waden­mus­kels nach­ahmt und beim Gehen mehr Ener­gie an den Ampu­tier­ten abgibt, als er auf­nimmt ³. Eine Viel­zahl von Stu­di­en belegt, dass dies zu einer deut­li­chen Erhö­hung der selbst­ge­wähl­ten Geh geschwin­dig­keit, einer Ver­rin­ge­rung des Ener­gie­ver­brauchs, einer gerin­ge­ren Belas­tung des Bewe­gungs­ap­pa­ra­tes sowie einer Ver­bes­se­rung der Bio­me­cha­nik des gesam­ten Kör­pers beim Gehen führt ²⁴⁵. Des Wei­te­ren wer­den neben ebe­nem Gehen auch das Trep­pen­stei­gen und das Her­auf­ge­hen von Schrä­gen zum Vor­teil des Anwen­ders aktiv unter­stützt ⁶.

Tech­no­lo­gie

Die effek­ti­ve Nach­ah­mung ver­lo­ren­ge­gan­ge­ner Waden­mus­kel­funk­tio­na­li­tät wird maß­geb­lich durch drei tech­no­lo­gisch neu­ar­ti­ge Funk­tio­nen ermög­licht: Zum einen bie­tet der Empower eine akti­ve Plant­ar­fle­xi­on am Ende der Stand­pha­se zur Unter­stüt­zung des Zehen­ab­sto­ßes. Des Wei­te­ren wird kon­ti­nu­ier­lich die Fer­sen­stei­fig­keit nach Initi­al­kon­takt gere­gelt, was zu einer Redu­zie­rung der Stoß­be­las­tung bei­trägt und auch die mög­li­che Geh­ge­schwin­dig­keits­än­de­rung opti­mal unter­stützt. Schließ­lich kön­nen Ener­gie­zu­fuhr und Wider­stän­de per Ein­stell­soft­ware indi­vi­du­ell auf den Anwen­der fein­jus­tiert wer­den, um des­sen Gang­bild wei­ter dem phy­sio­lo­gi­schen Vor­bild anzunähern.

Die Steue­rung des in Abbil­dung 1 dar­ge­stell­ten Knö­chel­ge­lenks wird durch drei Mikro­pro­zes­so­ren, sechs Sen­so­ren und eine bio­mime­ti­sche Steue­rungs­firm­ware rea­li­siert. Das Sys­tem ist in der Lage, Fer­sen­wi­der­stand, Feder­span­nung sowie das Antriebs­mo­ment 500 Mal pro Sekun­de anzu­pas­sen. Ähn­lich der Kon­trol­le von Mus­kel­seh­nen und neu­r­a­len Refle­xen beim mensch­li­chen Knö­chel­ge­lenk arbei­tet der Empower mit einem posi­ti­ven Moment-Feed­back. Eine Erhö­hung des erfass­ten Moments im pro­the­ti­schen Knö­chel­ge­lenk führt direkt zu einer Stei­ge­rung des vom Antrieb erzeug­ten Dreh­mo­ments für die akti­ve Plant­ar­fle­xi­on. Dadurch wird eine auto­ma­ti­sche Anpas­sung der Ener­gie­zu­fuhr bei wech­seln­den Geh­ge­schwin­dig­kei­ten und Nei­gun­gen des Unter­grunds erreicht: Je mehr der Empower belas­tet wird, des­to stär­ker ist auch die direk­te Ant­wort bzw. die akti­ve Plant­ar­fle­xi­on im sel­ben Schritt.

Über die­ses grund­le­gen­de Wirk­prin­zip hin­aus kann der Empower über die Ein­stell­soft­ware wei­ter an den indi­vi­du­el­len Anwen­der ange­passt wer­den. Im Ein­stell­pro­zess erfas­sen die ein­ge­bau­ten Sen­so­ren aus­ge­wähl­te Para­me­ter in der Schritt­ab­wick­lung. Die­se wer­den in der Soft­ware visua­li­siert und kön­nen direkt mit phy­sio­lo­gi­schen Refe­renz­da­ten ver­gli­chen und auch ange­passt wer­den. Somit ent­spricht bei ord­nungs­ge­mä­ßer Ein­stel­lung die Schritt­ab­wick­lung im Pro­the­sen­fuß der dyna­mi­schen Nach­bil­dung eines phy­sio­lo­gi­schen Fußes über das gesam­te Geh­ge­schwin­dig­keits­spek­trum ³⁵.

Über­sicht über ver­öf­fent­lich­te Studienergebnisse

Geh­ge­schwin­dig­keit

Bei Ver­wen­dung kon­ven­tio­nel­ler Pro­the­sen, die kei­ne akti­ve Plant­ar­fle­xi­on bie­ten, ist die selbst­ge­wähl­te Geh­ge­schwin­dig­keit von Ampu­tier­ten um 11 bis 40 % lang­sa­mer als bei Men­schen mit intak­ten Glied­ma­ßen ⁷. Espo­si­to ² hat eben­so wie Gra­bow­ski und D’Andrea ⁸ auf­ge­zeigt, dass bei Ver­wen­dung eines aktiv ange­trie­be­nen Fuß­pass­teils die gemes­se­ne maxi­ma­le Knö­chel­leis­tung über einen wei­ten Geschwin­dig­keits­be­reich von 0,75 m/s bis 1,75 m/s der von Nicht­am­pu­tier­ten ent­spricht und dass die Ener­gie­rück­ga­be im Ver­gleich zu kon­ven­tio­nel­len Pro­the­sen erheb­lich höher ist (p < 0,05).

Herr und Gra­bow­ski ³ haben gezeigt, dass unter­schen­kel­am­pu­tier­te Anwen­der eine selbst­ge­wähl­te Geh­ge­schwin­dig­keit von durch­schnitt­lich 1,4 m/s mit dem aktiv ange­trie­be­nen Knö­chel­ge­lenk errei­chen, die jener von Nicht­am­pu­tier­ten ent­spricht (p = 0,97) und um durch­schnitt­lich 23 % schnel­ler ist als mit einer Pro­the­se ohne Ener­gie­zu­fuhr (p = 0,008). Auch in der Stu­die von Gates et al. ⁵ wur­de die Fähig­keit des Pro­the­sen­fu­ßes, die selbst­ge­wähl­te Geh­ge­schwin­dig­keit zu erhö­hen, beim Gehen auf unebe­nem Unter­grund unter Beweis gestellt. Die selbst­ge­wähl­te Geh geschwin­dig­keit der Anwen­der in stei­ni­gem Gelän­de war mit dem aktiv ange­trie­be­nen Knö­chel­ge­lenk um 10 % schnel­ler (1,16 m/s) als mit einer Pro­the­se ohne Ener­gie­zu­fuhr (1,05 m/s, p = 0,031).

Ener­gie­ver­brauch beim Gehen

Herr und Gra­bow­ski ³ haben, wie in Abbil­dung 2 dar­ge­stellt, gezeigt, dass der Ener­gie­ver­brauch beim Gehen in einem Geschwin­dig­keits­be­reich von 1,0 m/s bis 1,75 m/s bei Ver­wen­dung des aktiv ange­trie­be­nen Knö­chel­ge­lenks deut­lich nied­ri­ger ist als bei Pro­the­sen ohne Ener­gie­zu­fuhr (p < 0,05) und annä­hernd dem von Nicht­am­pu­tier­ten ent­spricht (p > 0,5 bei 1,0–1,5 m/s; p = 0,17 bei 1,75 m/s). Auch in den Stu­di­en von Espo­si­to et al. ² und von Rus­sell et al. ⁴ wird die Fähig­keit des Knö­chel­ge­lenks demons­triert, den Ener­gie­be­darf zu ver­rin­gern. Anwen­der, die das aktiv ange­trie­be­ne Knö­chel­ge­lenk ver­wen­den, berich­ten von einem gestei­ger­ten Akti­vi­täts­ni­veau nach der Ver­sor­gung mit dem Prothesenfuß.

Belas­tung des Bewegungsapparates

Pas­si­ve Pro­the­sen kön­nen die phy­sio­lo­gi­sche Knö­chel­ge­lenk­me­cha­nik nur unzu­rei­chend ener­ge­tisch nach­bil­den. Das führt zu erhöh­ten Gelenk­be­las­tun­gen des gesun­den Beins ⁹. Die­se unna­tür­li­chen Gelenk­be­las­tun­gen sind poten­zi­ell für das ver­mehr­te Auf­tre­ten von Osteo­ar­thro­se bei Ampu­tier­ten ver­ant­wort­lich. Bei­spiels­wei­se liegt eine Gonar­thro­se 17 Mal häu­fi­ger bei Unter­schen­kel­am­pu­tier­ten vor als bei gleich­alt­ri­gen Nicht­am­pu­tier­ten ¹⁰.

Die Stu­di­en von Espo­si­to et al. ², Herr und Gra­bow­ski ³, Rus­sell et al. ⁴ sowie Gra­bow­ski und D’Andrea ⁸ haben gezeigt, dass das aktiv ange­trie­be­ne Knö­chel­ge­lenk beim Absto­ßen des Pro­the­sen­beins signi­fi­kant mehr Abstoß­ar­beit leis­tet als eine Pro­the­se ohne Ener­gie­zu­fuhr (p < 0,006 im Geschwin­dig­keits­be­reich von 0,75 m/s bis 1,75 m/s). Beson­de­re Auf­merk­sam­keit gilt der Aus­sa­ge von Gra­bow­ski und D’Andrea im Jour­nal of Neu­roen­gi­nee­ring and Reha­bi­li­ta­ti­on ⁸, wonach „die Ver­wen­dung eines Pro­then­fu­ßes, der eine net­to posi­ti­ve mecha­ni­sche Arbeit leis­tet, unter Umstän­den das Risi­ko von Begleit­erkran­kun­gen wie Gonar­thro­se ver­rin­gern kann“.

Sturz­ri­si­ko

Das Sturz­ri­si­ko wird vom Gesamt­dreh­im­puls des Kör­pers beein­flusst. Die­ser wird beim Gehen sehr genau durch Mus­kel­kräf­te regu­liert, um die Balan­ce in der Bewe­gung zu gewähr­leis­ten. Eine Peer-Review-Stu­die hat gezeigt, dass der Pro­the­sen­fuß mit akti­ver Ener­gie­zu­fuhr Dreh­im­puls­schwan­kun­gen beim ebe­nen Gehen im bevor­zug­ten Geschwin­dig­keits­be­reich im Ver­gleich zu Pro­the­sen ohne Ener­gie­zu­fuhr redu­ziert (p = 0,04), was auf ein ver­rin­ger­tes Sturz­ri­si­ko bei Ver­wen­dung des Pro­the­sen­fu­ßes mit akti­ver Ener­gie­zu­fuhr hin­weist ¹¹.

Fazit

Es lie­gen zahl­rei­che kli­ni­sche Nach­wei­se vor, dass der Pro­the­sen­fuß „Empower“ den Ampu­tier­ten der unte­ren Extre­mi­tät eine akti­ve Ener­gie­un­ter­stüt­zung bie­tet, die mit der Unter­stüt­zung durch die Waden­mus­ku­la­tur beim Gehen von Nicht­am­pu­tier­ten ver­gleich­bar ist. Dadurch sind die Anwen­der in der Lage, mit vari­ie­ren­den Schritt­fre­quen­zen und Geh­ge­schwin­dig­kei­ten auf dem Niveau von Nicht­am­pu­tier­ten bei ver­gleich­ba­rem Ener­gie­ver­brauch zu gehen. Geht die glei­che Anwen­der­grup­pe mit pas­si­ven Pro­the­sen ohne Ener­gie­zu­fuhr, redu­ziert sich die Geh­ge­schwin­dig­keit bei erhöh­tem meta­bo­li­schem Ener­gie­ver­brauch. Wei­ter­hin zei­gen Stu­di­en, dass durch die unter­stüt­zen­de Ener­gie­zu­fuhr bzw. die Nor­ma­li­sie­rung der Knö­chel­me­cha­nik Gang­un­re­gel­mä­ßig­kei­ten gemin­dert wer­den, die ursäch­lich für Über­las­tun­gen der erhal­te­nen Sei­te sind – mit den bekann­ten mög­li­chen Fol­gen (z. B. Osteoarthrose).

Der Autor:
Bri­an Frasure
Bio­nX Medi­cal Tech­no­lo­gies Inc.
4 Crosby Drive
Bedford, Mas­sa­chu­setts 01730
USA
contact@bionxmed.com

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