Anwen­dung instru­men­tier­ter Orthe­sen­ge­len­ke zur Opti­mie­rung des Orthe­sen­auf­baus und zur Cha­rak­te­ri­sie­rung des Patienten

D. Hochmann, L. Opitz
Der Beitrag beschreibt einen methodischen Ansatz zur Entwicklung und Validierung instrumentierter Gelenke, die in existierende Orthesen integriert werden können, um Belastungen auf allen Ebenen messtechnisch zu erfassen. Zudem werden die Anwendungsmöglichkeiten der entwickelten Messtechnik zur Charakterisierung der verbliebenen Muskelfunktion des Patienten und zur Optimierung des Aufbaus bei orthopädietechnischen Versorgungen vorgestellt.

Ein­füh­rung

Grö­ße, Sper­rig­keit und Gewicht gel­ten als Haupt­grün­de für die Unzu­frie­den­heit von Pati­en­ten mit orthe­ti­schen Ver­sor­gun­gen 1. Eine nut­zer­ge­rech­te Gestal­tung von Orthe­sen im Sin­ne einer Gewichts­re­duk­ti­on bei gleich­blei­ben­der Funk­tio­na­li­tät und akzep­ta­blen Abmes­sun­gen setzt die Kennt­nis der auf die Kom­po­nen­ten wir­ken­den mecha­ni­schen Las­ten vor­aus. Die Opti­mie­rung von Orthe­sen­kom­po­nen­ten ist jedoch auf­grund feh­len­der Stan­dards schwie­rig. Die exis­tie­ren­den Nor­men (EN ISO 22523) schrei­ben ­ledig­lich Prüf­me­tho­den für die sta­ti­sche Prü­fung vor, ohne die Belas­tungs­ni­veaus zu defi­nie­ren 2. Als Kon­se­quenz feh­len­der Richt­li­ni­en erfolgt die Orthe­sen­ent­wick­lung bis­her auf empi­ri­scher Basis. Das führt einer­seits dazu, dass eini­ge Orthe­sen­kom­po­nen­ten unter Umstän­den nicht bean­spru­chungs­ge­recht aus­ge­legt wer­den und spä­ter im Feld ver­sa­gen kön­nen. Auf der ande­ren Sei­te sind vie­le Orthe­sen­kom­po­nen­ten mög­li­cher­wei­se über­di­men­sio­niert, was zu schwe­ren und sper­ri­gen Kon­struk­tio­nen und somit zu einer schlech­ten Pati­en­ten­ak­zep­tanz führt. Das liegt vor allem dar­an, dass bis­her kaum gesi­cher­tes Wis­sen über die tat­säch­li­chen Belas­tun­gen von Orthe­sen exis­tiert. Zwar ist bekannt, dass eine Über­tra­gung gang­ana­ly­tisch erfass­ter Belas­tun­gen bei gesun­den Pro­ban­den auf patho­lo­gi­sche Fäl­le unzu­läs­sig ist 3 4 5. Es ist außer­dem bekannt, dass die Belas­tun­gen einer Orthe­se von einer Viel­zahl von indi­vi­du­el­len Pati­en­ten­ei­gen­schaf­ten (Mus­kel­sta­tus, Fehl­stel­lung, Gewicht etc.) und kon­struk­ti­ven Eigen­schaf­ten der Orthe­se (z. B. Mate­ri­al­stei­fig­keit, Hebel­län­gen etc.) abhän­gig sind 6. Eine vali­de quan­ti­ta­ti­ve Vor­her­sa­ge über die resul­tie­ren­den Belas­tun­gen bei einer geplan­ten orthe­ti­schen Ver­sor­gung eines kon­kre­ten Pati­en­ten ist bis dato aller­dings nicht möglich.

Anzei­ge

Bis­he­ri­ge Ansät­ze, das vor­han­de­ne empi­ri­sche Wis­sen über die Belast­bar­keit von Orthe­sen anhand ana­ly­ti­scher Über­le­gun­gen zu sys­te­ma­ti­sie­ren 7, kön­nen dem Ortho­pä­die-Tech­ni­ker zwar wert­vol­le Hin­wei­se lie­fern, stel­len am Ende aber nur ein­fa­che Model­le dar. Sie bedür­fen wie alle Model­le einer (mess­tech­ni­schen) Vali­die­rung und sind zudem nicht in der Lage, die Wir­kung ein­zel­ner Ein­fluss­fak­to­ren mit­ein­an­der zu verrechnen.

Die Kennt­nis des Ursprungs und der Ampli­tu­de der Belas­tun­gen kann mit Hil­fe soge­nann­ter inte­grier­ter Sen­so­rik gewon­nen wer­den. Das sind Mess­sys­te­me, die sich in die Orthe­se inte­grie­ren las­sen und die auf die Orthe­sen­kom­po­nen­ten wir­ken­den Belas­tun­gen direkt erfas­sen. Die­se Mess­sys­te­me müs­sen sich unkom­pli­ziert in die Orthe­se ein­bau­en las­sen und dür­fen den Pati­en­ten weder durch eine Volu­men- oder Gewichts­er­hö­hung noch durch eine auf­wen­di­ge Ver­ka­be­lung beein­träch­ti­gen. Aus tech­no­lo­gi­schen Grün­den und wegen des damit ver­bun­de­nen Auf­wan­des ist es bis­her noch nicht gelun­gen, Orthe­sen­be­las­tun­gen an aus­rei­chend gro­ßen Pro­ban­den­kol­lek­ti­ven zu untersuchen.

Stand der Wis­sen­schaft und Technik

Die ers­ten Mes­sun­gen von Orthe­sen­be­las­tun­gen fan­den bereits Ende der 60er Jah­re statt: Kirk­pa­trick et al. 8 erfass­ten mit Hil­fe einer instru­men­tier­ten Orthe­se die axia­len Druck­kräf­te sowie die sagit­ta­len und fron­ta­len Bie­ge­mo­men­te pro­xi­mal des Knö­chel­ge­lenks. Da die Mes­sung jedoch nur exem­pla­risch an einem gesun­den Pro­ban­den erfolg­te, hat­ten die Ergeb­nis­sekei­ne prak­ti­sche Rele­vanz. Trap­pitt et al. 9 führ­ten Anfang der 80er Jah­re ers­te Belas­tungs­ana­ly­sen an Orthe­sen der unte­ren Extre­mi­tät mit­tels spe­zi­el­ler Mehr­kom­po­nen­ten­sen­so­ren durch. Trotz des für die Zeit sehr fort schritt­li­chen mess­tech­ni­schen Ansat­zes wurden­aufgrund des hohen Auf­wan­des zur Her­stel­lung indi­vi­du­el­ler Mess­orthe­sen nur weni­ge Pati­en­ten­mes­sun­gen durchgeführt.

Zur Mini­mie­rung des Auf­wan­des wur­den eini­ge Ver­su­che unter­nom­men, Orthe­sen­be­las­tun­gen mit Hil­fe kon­ven­tio­nel­ler gang­ana­ly­ti­scher Metho­den zu ermit­teln. Exem­pla­risch dafür ist das ­EU-geför­der­te Pro­jekt ORLOAD. Dabei wur­den in vier euro­päi­schen Labors gang­ana­ly­ti­sche Mes­sun­gen an ins­ge­samt 164 Pati­en­ten durch­ge­führt und die auf die Gelen­ke wir­ken­den Momen­te mit Hil­fe inverser­Dynamik berech­net 10. Die dabei getrof­fe­nen Annah­men (kei­ne Ver­schie­bun­gen zwi­schen Bein und Orthe­se, kei­ne belas­tungs­re­le­van­te Wir­kung von Mus­keln und Bän­dern u. Ä.) ent­spre­chen jedoch kei­nes­wegs den rea­len Bedin­gun­gen. Die in der Stu­die vor­ge­nom­me­ne Mit­tel­wert­bil­dung über alle Pati­en­ten ohne Berück­sich­ti­gung der indi­ka­ti­ons­be­zo­ge­nen Pati­en­ten eigen­schaf­ten ist zudem kri­tisch zu hin­ter­fra­gen – die bei Pati­en­ten mit Beu­ge­kon­trak­tu­ren gemes­se­nen Fle­xi­ons­mo­men­te kom­pen­sie­ren bei der Mit­tel­wert­bil­dung die für die Pati­en­ten mit Genu recur­va­t­um typi­schen Extensionsmomente.

Die Arbeits­grup­pen von Andry­sek et al. 11 und Bern­hardt et al. 12 haben anschlie­ßend Ver­su­che unter­nom­men, Orthe­sen­be­las­tun­gen mit Hil­fe indus­tri­el­ler Kraft­sen­so­ren zu bestim­men. Die Kraft­sen­so­ren erset­zen dabei das Gelenk einer Orthe­se, wei­sen jedoch Limi­ta­tio­nen hin­sicht­lich des Bau­rau­mes auf und erhö­hen das Gewicht der Orthe­se um bis zu 70 Pro­zent. Die bio­me­cha­ni­sche Funk­ti­on der Gelen­ke geht zudem ver­lo­ren, sodass aus­schließ­lich Mes­sun­gen an ver­steif­ten Extre­mi­tä­ten mög­lich sind, die kei­ne Aus­sa­ge über die rea­len Belas­tun­gen erlau­ben. Zudem ist es auf­grund des Platz­be­darfs nicht mög­lich, an bila­te­ra­len Orthe­sen medi­al zu mes­sen oder den Sen­sor als Knö­chel­ge­lenk zu ver­bau­en. Da die Sen­so­ren auf­grund ihres Platz­be­darfs nicht in exis­tie­ren­de Orthe­sen ein­ge­baut wer­den kön­nen, sind die Stich­pro­ben­grö­ßen zudem wei­ter­hin sehr klein.

Um die­se Nach­tei­le zu kom­pen­sie­ren, haben Hoch­mann et al. 13 instru­men­tier­te Sen­sor-Adap­ter ent­wi­ckelt, die in die bestehen­den Orthe­sen­ge­len­ke inte­griert wer­den kön­nen. Dadurch war es erst­ma­lig mög­lich, die Belas­tun­gen am frei­schwin­gen­den Knie­ge­lenk und am Knö­chel­ge­lenk zu erfas­sen, aller­dings nur in der Sagit­tal­ebe­ne. Die zusätz­li­che Bau­hö­he der Adap­ter ver­än­der­te jedoch die Gelenk­ab­stän­de, sodass eine Neu­an­fer­ti­gung der Orthe­se nicht ver­mie­den wer­den konnte.

Die Ana­ly­se des Stan­des der Wis­sen­schaft zeigt, dass es erfor­der­lich ist, ein Mess­sys­tem zu ent­wi­ckeln, das in exis­tie­ren­de Orthe­sen inte­griert wer­den kann und das die Belas­tun­gen auf allen Ebe­nen regis­triert. Nur durch den „ein­fa­chen“ Aus­tausch der Ori­gi­nal-Orthe­sen­ge­len­ke gegen die Mess­ge­len­ke ist ein grö­ße­res Pati­en­ten­kol­lek­tiv erreich­bar. Erst die mas­sen­haf­te Daten­er­he­bung an unter­schied­li­chen Pati­en­ten kann zu vali­den Model­lie­run­gen füh­ren, wie es z. B. von Kauf­man et al. 14 gefor­dert wird.

Metho­dik

Um die­ses Ziel zu errei­chen, wur­de eine Metho­de ent­wi­ckelt, die die gän­gi­gen Orthe­sen­ge­len­ke als Ver­for­mungs­kör­per für die Instru­men­tie­rung mit Deh­nungs­mess­strei­fen (DMS) nutzt und die­se in ein modu­la­res Mess­sys­tem inte­griert 15 16. Da jedoch das ursprüng­li­che Design des Gelenks auf­grund der Bau­teil­si­cher­heit nicht wesent­lich ver­än­dert wer­den darf, muss­ten zwei Haupt­pro­ble­me gelöst wer­den: Zum einen ist es auf­grund der hohen Stei­fig­keit des Ver­for­mungs­kör­pers schwie­rig, einen aus­rei­chen­den Signal­hub und ein akzep­ta­bles Signal-Rausch-Ver­hält­nis zu erhal­ten. Zum ande­ren führt die asym­me­tri­sche Form des Gelenk­kör­pers zu einem hohen Quer­spre­chen zwi­schen dem Sagit­tal­mo­ment und den auf den ande­ren Ebe­nen gemes­se­nen Momen­ten. Die räum­li­che Beschrän­kung in einer Orthe­se am Pati­en­ten und mög­li­che Beschä­di­gun­gen durch mecha­ni­sche Ein­flüs­se stel­len wei­te­re Her­aus­for­de­run­gen hin­sicht­lich der Minia­tu­ri­sie­rung und des Schut­zes des Gesamt­sys­tems dar.

Die grund­le­gen­de metho­di­sche Vor­ge­hens­wei­se zur Über­win­dung die­ser Her­aus­for­de­run­gen ist in Abbil­dung 1 dar­ge­stellt. Aus­gangs­punkt der Sen­sor­ent­wick­lung ist ein markt­üb­li­ches Orthe­sen­ge­lenk. Die Ver­fah­rens­wei­se für den metho­di­schen Ent­wick­lungs­pro­zess erfor­dert den Auf­bau eines abs­trak­ten, aber der Rea­li­tät ent­spre­chen­den Finite-Elemente-(FE-)Modells. Die Lage­rungs- und Kraft­ein­lei­tungs­be­din­gun­gen sowie die Werk­stoff­da­ten müs­sen dabei bekannt sein. Der Volu­men­kör­per soll in geeig­ne­ten Berei­chen idea­li­siert sein, über ein geeig­ne­tes FE-Netz mit ent­spre­chen­der Netz­steue­rung und Ele­men­ten mit erfor­der­li­chen Frei­heits­gra­den und Fein­heit ver­fü­gen sowie die Lage­rungs- und Kraft­ein­lei­tungs­be­din­gun­gen ange­mes­sen abbil­den. Das Ziel lau­tet, den Sen­sor anfor­de­rungs­ge­recht hin­sicht­lich Mecha­nik und Sen­so­rik (Bau­raum, Fes­tig­keit, Ver­for­mung, Linea­ri­tät, Signal­hub, ­Quer­spre­chen, Signal­rauschen) zu konzipieren.

Die Appli­ka­ti­ons­or­te und die Aus­rich­tung der DMS lei­ten sich aus der Simu­la­ti­on ab. Die Sen­sor­kon­zep­ti­on ist ein ite­ra­ti­ver Pro­zess mit par­al­lel ablau­fen­den FE-Ana­ly­sen und Modell­rech­nun­gen der tech­ni­schen Mecha­nik. Die par­al­lel ablau­fen­den mathe­ma­ti­schen Ansät­ze bie­ten den Vor­teil der gegen­sei­ti­gen Plau­si­bi­li­täts­kon­trol­le und bewir­ken eine Reduk­ti­on der Ite­ra­ti­ons­schlei­fen. Kern­punkt die­ser Metho­dik ist das soge­nann­te Test-Ope­ra­te-Test-Exit-Modell 17. Die Ite­ra­ti­ons­schlei­fe wird been­det, sobald eine akzep­ta­ble Mate­ri­al­deh­nung für die DMS-Mes­sun­gen oder die zuläs­si­ge Mate­ri­al­span­nung erreicht ist. In eini­gen Fäl­len, z. B. bei einem Dor­sal­an­schlag, ist der Ver­for­mungs­kör­per nicht für die Instru­men­tie­rung geeig­net. Hier muss die Vor­ge­hens­wei­se gege­be­nen­falls durch eine Sen­sor-Neu­ent­wick­lung ergänzt werden.

Nach­dem ein Opti­mum an Modi­fi­ka­tio­nen bestimmt wur­de, erfolgt die fer­ti­gungs­tech­ni­sche Umset­zung durch die mecha­ni­sche Bear­bei­tung des Ver­for­mungs­kör­pers. Die­ser wird mit geeig­ne­ten DMS und Appli­ka­ti­ons­mit­teln in der jewei­li­gen Haupt­span­nungs­rich­tung instru­men­tiert und ­ver­schal­tet. Die Gelen­ke wer­den anschlie­ßend in spe­zi­el­len Vor­rich­tun­gen kali­briert – dies ermög­licht die Vali­die­rung der durch­ge­führ­ten FE-Ana­ly­sen und die Cha­rak­te­ri­sie­rung der Sen­so­ren. Vali­dier­te Simu­la­tio­nen die­nen anschlie­ßend im Rah­men einer Risi­ko­be­wer­tung als Grund­la­ge des Nach­wei­ses der Unbe­denk­lich­keit der vor­ge­nom­me­nen Bau­teil­mo­di­fi­ka­tio­nen. Dazu wer­den die Ver­for­mun­gen ver­sa­gen­s­kri­ti­scher Gelenk­be­rei­che für die vom Her­stel­ler ange­ge­be­nen maxi­ma­len Belas­tun­gen berech­net und bewer­tet. Das Block­dia­gramm des Gesamt­mess­sys­tems ist in Abbil­dung 2 dar­ge­stellt. Es besteht neben den Mess­ge­len­ken aus einer Elek­tro­nik zur Ver­stär­kung und Spei­che­rung von Signa­len. Kali­brie­rungs­da­ten wer­den dabei direkt auf dem Chip gespei­chert. Das Sys­tem besitzt einen mobi­len pho­to­elek­tri­schen Trig­ger zur Syn­chro­ni­sa­ti­on mit der kon­ven­tio­nel­len Gang­ana­ly­se. Bei mobi­len Mes­sun­gen im Feld ermög­licht die in der Mess­elek­tro­nik auf dem Gelenk befind­li­che Iner­ti­al­sen­so­rik eine Stand- und Schwung­pha­sen­er­ken­nung sowie eine Erfas­sung von Gelenk­win­keln. Die ent­wi­ckel­ten Mess­ge­len­ke las­sen sich in kür­zes­ter Zeit und ohne Ver­än­de­rung der Orthe­sen­kon­fi­gu­ra­ti­on ver­bau­en und dadurch ein­fach in eine Pati­en­ten­ver­sor­gung inte­grie­ren. Das zusätz­li­che Gewicht beträgt dabei nur 60 g pro Gelenk. Da das Sys­tem draht­los ist, gibt es kei­ne Kabel, die die beweg­li­chen Tei­le der Orthe­se oder die Bewe­gung des Pati­en­ten stö­ren könnten.

Anwen­dung zur Cha­rak­te­ri­sie­rung des Patienten

Das Mess­sys­tem wur­de in Zusam­men­ar­beit mit dem Uni­ver­si­täts­kli­ni­kum Hei­del­berg dazu ein­ge­setzt, die beim Tra­gen einer GRAFO wir­ken­den Belas­tun­gen zu erfas­sen 18. Die Mes­sun­gen wur­den in Kom­bi­na­ti­on mit einer opti­schen Gang­ana­ly­se (Fa. Vicon) bei ver­schie­de­nen Akti­vi­tä­ten durch­ge­führt; das Unter­su­chungs­kol­lek­tiv umfass­te gesun­de Pro­ban­den und ICP-Patienten.

Die Anwen­dung der Mess­ge­len­ke zur Cha­rak­te­ri­sie­rung des Pati­en­ten lässt sich an den gewon­ne­nen Daten exem­pla­risch demons­trie­ren. Abbil­dung 3 zeigt den sagit­ta­len Momen­ten­ver­lauf für das ebe­ne Gehen einer gesun­den Pro­ban­din, die mit einer uni­la­te­ra­len GRAFO und einem Sys­tem-Mess­ge­lenk mit ein­ge­stell­tem Dor­sal­an­schlag von 0° ver­sorgt war. Das über die inver­se Dyna­mik bestimm­te exter­ne Knö­chel-Gelenk­mo­ment (gestri­chel­te Lini­en) ist im Ver­gleich zur gemes­se­nen Orthe­sen­be­las­tung (vol­le Lini­en) dar­ge­stellt. Man erkennt, dass das exter­ne Moment zwar eine ähn­li­che Kur­ven­form auf­weist, j­edoch viel grö­ßer ist als das gemes­se­ne Moment im Orthe­sen­ge­lenk. Das bedeu­tet, dass der Groß­teil des äuße­ren Moments durch das inter­ne Mus­kel­mo­ment des Pro­ban­den kom­pen­siert wird. Je grö­ßer der Unter­stüt­zungs­be­darf des Pati­en­ten durch die Orthe­se ist, des­to klei­ner muss dem­nach die Dif­fe­renz bei­der Momen­te aus­fal­len. Die­se The­se ­wird durch die Mes­sun­gen mit ICP-Pati­en­ten bestä­tigt. Abbil­dung 4 zeigt die glei­chen Momen­ten­ver­läu­fe für einen ICP-Pati­en­ten mit einem für die Indi­ka­ti­on typi­schen Kau­er­gang. Der Pati­ent nutz­te Geh­stüt­zen, die ­einen Kraft­ne­ben­schluss zu den Kraft­mess­plat­ten der Gang­ana­ly­se erzeu­gen, wodurch die exter­nen Gelenk­mo­men­te feh­ler­be­haf­tet sind. Trotz die­ser Ein­schrän­kung lässt sich gut erken­nen, dass kaum noch eine Dif­fe­renz ­zwi­schen bei­den Momen­ten besteht. Die Ergeb­nis­se legen nahe, dass durch die Kom­bi­na­ti­on bei­der Sys­te­me erst­ma­lig die ver­blei­ben­de Mus­kel­funk­ti­on eines Pati­en­ten und der Unter­stüt­zungs­be­darf durch die Orthe­se quan­ti­fi­ziert wer­den kön­nen. Wel­che kli­ni­sche Rele­vanz die gewon­ne­nen ­Erkennt­nis­se haben kön­nen, muss durch wei­te­re Unter­su­chun­gen geklärt wer­den. Wei­te­re poten­zi­el­le Anwen­dun­gen sind z. B. die Erken­nung und Cha­rak­te­ri­sie­rung von Spastiken.

Die Unter­su­chung wur­de zudem genutzt, um die im Mess­ge­lenk inte­grier­te Iner­ti­al­sen­so­rik mit dem Vicon-Sys­tem als Gold­stan­dard zu ver­glei­chen. Bei allen unter­such­ten Akti­vi­tä­ten waren die Unter­schie­de zwi­schen Vicon und dem hier vor­ge­stell­ten Sys­tem in den Zeit-Distanz-Para­me­tern sehr gering (<  3  %). Die Abwei­chun­gen bei den Gelenk­win­kel­ver­läu­fen waren bis auf die Umkehr­punk­te minimal.

Anwen­dung zur Opti­mie­rung des Orthesenaufbaus

In Zusam­men­ar­beit mit der ortho­pä­di­schen Werk­statt UKM Pro­tec in Müns­ter wur­de das Mess­sys­tem in einer gesperr­ten bila­te­ra­len KAFO-Test­ver­sor­gung eines Polio-Pati­en­ten ver­baut, um Emp­feh­lun­gen zur Opti­mie­rung des Auf­baus lie­fern zu kön­nen. Der akti­ve Pati­ent (65 Jah­re alt, 180 cm groß, 68 kg schwer) wur­de im Sani­täts­haus bereits mehr­fach ver­sorgt, wobei es in der Ver­gan­gen­heit zu Bau­teil­ver­sa­gen bzw. star­kem Ver­schleiß kam. Durch die Unter­su­chung soll­ten vor­ran­gig die fol­gen­den Fra­gen beant­wor­tet werden:

  • Ist ein uni­la­te­ra­ler Auf­bau der Orthe­se möglich?
  • Wel­che mini­ma­le Sys­tem­schie­nen­brei­te kann als sicher betrach­tet werden?
  • Bei wel­chen Akti­vi­tä­ten tre­ten Über­las­ten auf?

Die Ver­sor­gung (Abb. 5) wur­de so kon­stru­iert, dass das Pati­en­ten­bein kaum Druck­be­las­tun­gen auf­neh­men muss. Hin­ter­grund des­sen ist, dass das Bein des Pati­en­ten in der Ver­gan­gen­heit bei zu gro­ßem Druck am Knö­chel anschwoll. Die Orthe­se nimmt einen Teil des Pati­en­ten­ge­wichts über den Sitz­bein-Auf­sitz am pro­xi­ma­len Ende der pro­xi­ma­len Orthe­sen­scha­le, über die Innen­flä­chen sowie über die Ver­schlüs­se und Klett­gur­te auf. Es wur­den die Akti­vi­tä­ten „ebe­nes Gehen“ (5 m), „Ram­pe auf­wärts“ (3,5 m) und „Trep­pe abwärts“ (4 Stu­fen) unter­sucht. Exem­pla­ri­sche Mess­ergeb­nis­se für die Akti­vi­tät „ebe­nes Gehen“ sind in Abbil­dung 6 dargestellt.

Die Haupt­be­las­tun­gen tre­ten erwar­tungs­ge­mäß in der Sagit­tal­ebe­ne auf, wobei das Fle­xi­ons­mo­ment am Orthe­sen­knie­ge­lenk stets gerin­ger ist als das Dor­salex­ten­si­ons­mo­ment am Knö­chel­ge­lenk. Es zeigt sich, dass auf der Ram­pe die Belas­tungs­dau­er und die Ampli­tu­de des sagit­ta­len Moments am Knö­chel­ge­lenk deut­lich anstei­gen, wäh­rend die Sagit­tal­mo­ment-Ampli­tu­den am Knie­ge­lenk leicht abneh­men. Beim ebe­nen Gehen und auf der Ram­pe wirkt zudem auf das rech­te Knie­ge­lenk ein höhe­res Fle­xi­ons­mo­ment als auf das lin­ke Gelenk.

Die in der Unter­su­chung gemes­se­nen Spit­zen­be­las­tun­gen wur­den mit den Vor­ga­ben des Her­stel­lers abge­gli­chen, um die opti­ma­le Sys­tem­schie­nen­brei­te aus­zu­wäh­len. Dar­über hin­aus wur­den die gemes­se­nen Momente­in der Fron­tal- und Hori­zon­tal­ebe­ne ver­wen­det, um die Sicher­heit eines mög­li­chen uni­la­te­ra­len KAFO-Auf­baus zu bewer­ten. Bei den ohne Kennt­nis der vor­he­ri­gen Ver­sor­gungs­his­to­rie des Pati­en­ten getrof­fe­nen Emp­feh­lun­gen wur­de eine sehr gute Über­ein­stim­mung mit dem Erfah­rungs­wis­sen der ver­sor­gen­den Ortho­pä­die-Tech­ni­ker festgestellt.

Neben der Fes­tig­keits­be­trach­tung lie­fern die gemes­se­nen Wer­te auch Aus­sa­gen zur funk­tio­nel­len Opti­mie­rung der Ver­sor­gung. So konn­ten die Aus­wir­kun­gen der vor­ge­nom­me­nen Anpas­sun­gen am Dor­sal­an­schlag unmit­tel­bar in den Momen­ten­ver­läu­fen der Gelen­ke regis­triert wer­den. Je frü­her der Dor­sal­an­schlag wirk­sam wird, des­to gerin­ger wird ver­hält­nis­mä­ßig das flek­tie­ren­de und umso grö­ßer das exten­die­ren­de Knie­ge­lenk­mo­ment. Gleich­zei­tig stei­gen die Län­ge der Belas­tungs­pha­se und die Höhe des exten­die­ren­den Knö­chel­ge­lenk­mo­ments an; dies gilt ins­be­son­de­re für das Auf­wärts­ge­hen an der Rampe.

Die Ergeb­nis­se zei­gen, dass mit instru­men­tier­ten Orthe­sen­ge­len­ken erst­ma­lig Mes­sun­gen zur Opti­mie­rung des Orthe­sen­auf­baus mit ver­hält­nis­mä­ßig gerin­gem Auf­wand, ohne Pati­en­ten-Beein­flus­sung und ohne Gang­la­bor mög­lich sind. Die Tat­sa­che, dass die Mes­sun­gen nicht orts­ge­bun­den sind, erlaubt zudem län­ge­re Mes­sun­gen in der gewohn­ten Umge­bung des Pati­en­ten, die auch Gewöh­nungs­ef­fek­te sicht­bar machen können.

Anpas­sung des Sys­tems an ande­re Gelenke

Ein brei­ter Ein­satz der instru­men­tier­ten Gelen­ke in der Pra­xis ist nur dann mög­lich, wenn der tech­ni­sche Auf­wand für die Anpas­sung an ver­schie­de­ne Gelenk­mo­del­le über­schau­bar ist. Um die tech­ni­schen, zeit­li­chen und wirt­schaft­li­chen Rand­be­din­gun­gen dazu zu klä­ren, wur­de die vor­ge­stell­te Metho­dik im Rah­men eines Koope­ra­ti­ons­pro­jek­tes mit Roes­singh R&D (Ensche­de, NL) auf ein ande­res Gelenk­mo­dell angewendet.

Die Anpas­sung des Mess­sys­tems an das Knö­chel­ge­lenk „Nex­ge­ar Tan­go“ (Fa. Otto­bock) konn­te unter Bei­be­hal­tung der exis­tie­ren­den Sys­tem­kom­po­nen­ten (Mess­elek­tro­nik, Licht­schran­ken, Aus­wer­te­soft­ware etc.) und der Nut­zung vor­han­de­ner Kali­brier­stän­de erfol­gen, sodass ledig­lich die Pro­zess­schrit­te zur Instru­men­tie­rung, Kali­brie­rung und Vali­die­rung des Ver­for­mungs­kör­pers durch­lau­fen wer­den muss­ten. Die Ent­wick­lung konn­te auf­grund des vor­han­de­nen Know-hows inner­halb eines Monats abge­schlos­sen wer­den, obwohl die Kon­struk­ti­on des Gelenks „Nex­ge­ar Tan­go“ eine Neu­ent­wick­lung der Sen­so­rik zur Sagit­tal­mo­men­ter­fas­sung erfor­der­lich machte(Abb. 7). Es muss jedoch ange­merkt wer­den, dass der Zugang zur tech­ni­schen Doku­men­ta­ti­on des Her­stel­lers eine unab­ding­ba­re Vor­aus­set­zung für eine schnel­le Anpas­sung darstellt.

Fazit und Ausblick

Die Ergeb­nis­se zei­gen, dass es mög­lich ist, markt­üb­li­che ortho­pä­di­sche Gelen­ke in ein modu­la­res Mess­sys­tem umzu­wan­deln, das nicht unter den Ein­schrän­kun­gen frü­he­rer Stu­di­en wie hohes zusätz­li­ches Gewicht und Ver­än­de­run­gen der Gang­mus­ter lei­det. Dar­über hin­aus kön­nen die Mes­sun­gen auch außer­halb des Gang­la­bors im übli­chen Umfeld des Pati­en­ten durch­ge­führt wer­den. Da das Mess­sys­tem ­äußerst kom­pakt ist und die Pro­ban­den nicht beein­flusst, sind Mes­sun­gen im Feld ein­fach realisierbar.

Es wur­de gezeigt, dass durch den modu­la­ren Ansatz die Anpas­sung des Mess­sys­tems an ein ande­res Gelenk­mo­dell in kür­zes­ter Zeit und mit einem gerin­gen Kos­ten­auf­wand mög­lich ist. Damit sind erst­ma­lig Rei­hen­mes­sun­gen mög­lich, die die Grund­la­ge für die Ent­wick­lung der zukünf­ti­gen Qua­li­täts­stan­dards und Auf­bau­emp­feh­lun­gen­bil­den kön­nen. Des Wei­te­ren las­sen sich die Mess­ge­len­ke in den regu­lä­ren Ver­sor­gun­gen als Opti­mie­rungs­werk­zeug ein­set­zen. Ande­re mög­li­che Ein­satz­be­rei­che der Sen­so­ren sind die Über­wa­chung des Reha­bi­li­ta­ti­ons­sta­tus in der The­ra­pie sowie die Steue­rung intel­li­gen­ter Hilfsmittelkomponenten.

Zuneh­men­de Bedeu­tung kön­nen instru­men­tier­te Gelen­ke im Rah­men der Kon­for­mi­täts­be­wer­tung von Orthe­sen­kom­po­nen­ten gewin­nen. Da die gül­ti­ge har­mo­ni­sier­te Norm (EN ISO 22523) den Her­stel­ler ver­pflich­tet, die erfor­der­li­chen Fes­tig­keits­pa­ra­me­ter und die dazu­ge­hö­ri­gen Prüf­ver­fah­ren zu defi­nie­ren und zu doku­men­tie­ren, selbst aber kei­ne Vor­ga­ben bezüg­lich Prüf­be­las­tung und Prüf­dau­er macht, muss der Her­stel­ler die Belas­tun­gen sei­ner Pro­duk­te im Rah­men des Kon­for­mi­täts­be­wer­tungs­ver­fah­rens klä­ren. Das betrifft nicht nur Neu­ent­wick­lun­gen, son­dern auch betriebs­be­währ­te Pro­duk­te, da laut der EU-Medi­zin­pro­duk­te­ver­ord­nung (MDR) alle vor Inkraft­tre­ten der MDR zuge­las­se­nen Medi­zin­pro­duk­te erneut nach den neu­en Anfor­de­run­gen zer­ti­fi­ziert wer­den müssen.

Für die Autoren:
Prof. Dr.-Ing. David Hochmann
Fach­hoch­schu­le Münster
Fach­ge­biet Biomechatronik
Ste­ger­wald­stra­ße 39, 48565 Steinfurt
david.hochmann@fh-muenster.de

Begut­ach­te­ter Beitrag/reviewed paper

Zita­ti­on
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