Einleitung
Systemkniegelenke werden nach ihren Funktionen unterteilt: Es gibt frei bewegliche Systemkniegelenke, automatische Systemkniegelenke (Standphasensicherungsgelenke) und gesperrte Systemkniegelenke. Bei der Herstellung individueller KAFOs werden hauptsächlich frei bewegliche Systemkniegelenke eingesetzt. Diese können darüber hinaus ohne oder mit integrierter Rückverlagerung konzipiert werden. Die Wirkprinzipien dieser beiden Gelenkfunktionen unterscheiden sich in wenigen, für den Patienten jedoch äußerst relevanten Merkmalen, weshalb im Folgenden genauer auf sie eingegangen wird.
Einsatzzweck frei beweglicher Systemkniegelenke ohne Rückverlagerung
Frei bewegliche Systemkniegelenke ohne Rückverlagerung lassen sowohl in der Standphase als auch in der Schwungphase eine ungehinderte Bewegung zu. Sie stabilisieren und führen das anatomische Kniegelenk seitlich im Bewegungsablauf. Die mechanische Knieachse wird kongruent zur anatomischen Kompromissachse nach Nietert 1 positioniert (Abb. 1a). Dadurch verringern sich die Verschiebungen zwischen Bein und Orthese auf ein Minimum; das Hilfsmittel trägt sich komfortabel und ist schonend in der Anwendung. Diese Art von Systemgelenk wird für Patienten empfohlen, die über ausreichend Muskelkraft verfügen, um dem Knieflexionsmoment in „loading response“ entgegenzuwirken. Die Kniesicherung erfolgt rein muskulär.
Einsatzzweck frei beweglicher Systemkniegelenke mit Rückverlagerung
Funktionale Abweichungen durch geringe muskuläre Einschränkungen der kniestreckenden Muskelgruppen können durch eine Rückverlagerung der mechanischen Kniegelenkachse in einem frei beweglichen Systemkniegelenk kompensiert werden. Diese mechanische Knieachse wird nicht kongruent zur anatomischen Kompromissachse, sondern dahinter positioniert (Abb. 1b). Durch die Inkongruenz der Gelenkachsen wird das Knie passiv gesichert 2. Um dem Flexionsmoment in „loading response“ entgegenzuwirken, unterstützt die Orthese durch die Rückverlagerung des mechanischen Kniegelenkdrehpunktes die nicht voll funktionsfähige Muskulatur. Die Kniesicherung erfolgt durch eine Kombination aus Muskelkraft und Gelenkfunktion; die aus der Gelenkkonstruktion resultierende Rückverlagerung des Drehpunktes sorgt dafür, dass trotzdem eine mittige Ausrichtung der Systemanker bzw. ‑schienen am Unter- und Oberschenkel möglich ist.
Extensionsanschläge frei beweglicher Systemkniegelenke
Im Folgenden wird zunächst grundlegend die biomechanische Funktion eines Extensionsanschlages in einer KAFO erläutert. Darauf aufbauend werden zwei Extensionsanschlagstypen vorgestellt.
Funktion des Extensionsanschlages
Der Extensionsanschlag (EA) definiert die maximale Extension des Knies. Bei einem gesunden Menschen werden Knieflexion und ‑extension muskulär kontrolliert. Ist die kniesichernde Muskulatur eingeschränkt, kann es zu einer Überlastung des anatomischen Bandapparates im Knie kommen. Bei knieübergreifenden orthetischen Versorgungen sollte daher ein Funktionselement verwendet werden, das die Knieextension begrenzt, um eine pathologische Hyperextension des Knies zu verhindern 3. Der EA wird beim Gehen mit einer KAFO in den Gangphasen erreicht, in denen der Bodenreaktionskraftvektor vor dem mechanischen Drehpunkt des Systemkniegelenkes verläuft. In der Standphase ist dies bei „initial contact“, „mid stance“ und „terminal stance“ der Fall. Neben der Vermeidung einer pathologischen Hyperextension in der Standphase begrenzt der EA außerdem das Vorschwingen des Unterschenkels am Ende der Schwungphase in „terminal swing“.
Extensionsanschlagstypen
Frei bewegliche Systemkniegelenke sind mit unterschiedlichen Arten von EA verfügbar. Modulare Systemkniegelenke ermöglichen die Anpassung der Gelenkfunktion individuell nach den Bedürfnissen des Patienten. Die Begrenzung des Kniewinkels in Extensionsrichtung kann durch unterschiedliche Anschlagstypen erfolgen. Diese lassen sich in zwei Funktionsgruppen einteilen: statischer und dynamischer Extensionsanschlag. Auf diese beiden Varianten wird im Folgenden genauer eingegangen.
Statischer Extensionsanschlag
Der statische EA limitiert die maximale Knieextension auf einen festgelegten starren Winkel. Daher ist eine weitere Extensionsbewegung über diese festgelegte Anschlagsposition hinaus nicht möglich, wodurch der Bewegungsumfang des Knies in Extensionsrichtung eingeschränkt wird. Bei vielen Orthesengelenken ist der EA austauschbar, sodass sich der Kniewinkel der Orthese anpassen lässt. Die austauschbaren EA werden in Abstufungen von 5° oder 10° angeboten. Weitaus genauer lassen sich Systemkniegelenke mit stufenlos justierbaren EAs einstellen, die eine Justierung des Kniewinkels im Bereich von 0° Knieextension bis 20° Knieflexion ermöglichen.
Dynamischer Extensionsanschlag
Der dynamische EA limitiert die Knieextension gegen den federnden Widerstand einer ventralen Federeinheit. Die auf diese Weise ermöglichte Extensionsbewegung geht über den stufenlos einstellbaren Kniewinkel des Orthesengelenkes hinaus (z. B. von 5° Knieflexion in Richtung 0° Knieextension). Über austauschbare Federeinheiten lassen sich Federstärke und maximale Bewegungsfreiheit individuell einstellen. Zudem ist es möglich, die Bewegungsfreiheit des Federweges über eine Bewegungslimitierungsschraube stufenlos zu begrenzen, ohne dass der Patient dafür die Orthese ablegen muss.
Dynamischer Extensionsanschlag in einer KAFO
Das übergeordnete Ziel einer orthetischen Versorgung ist die Wiederherstellung des physiologischen Stehens und Gehens – in jedem Fall sollte aber eine Verbesserung des Gangbildes erreicht werden. Um dieses Ziel bestmöglich zu erreichen, sollte eine moderne KAFO den Bewegungsumfang der betroffenen Gelenke so wenig wie möglich einschränken 4. Diese Voraussetzung wird durch die zusätzliche Bewegungsfreiheit des dynamischen EA erfüllt. Im Folgenden werden Einstellbarkeit und biomechanischer Nutzen des dynamischen EA näher erläutert.
Einstellbarkeit der Gelenkwinkel
Der versorgende Orthopädietechniker definiert über den Grundaufbau der Orthese, in welchem Kniewinkel der EA erreicht werden soll. Dabei hat sich ein Aufbau mit 5° Knieflexion und 5° Tibiavorneigung bewährt 5. Diese leichte Knieflexion orientiert sich an den physiologischen Gelenkwinkeln beim Gehen und bewirkt im Vergleich zu einem geraden Aufbau der Orthese ein wesentlich dynamischeres Gehen. Der EA beschreibt somit den Kniewinkel und die Tibiavorneigung am Übergang von „mid stance“ zu „terminal stance“. Die stufenlose Justierbarkeit des in diesem Artikel vorgestellten Systemkniegelenkes mit dynamischem EA ist die ideale Ergänzung zu einem Systemknöchelgelenk mit stufenlos justierbarem dynamischem Dorsalanschlag. So kann die Knieflexion entsprechend der eingestellten Tibiavorneigung angepasst bzw. gegenjustiert werden (Abb. 2).
Biomechanischer Nutzen
Durch die im Vergleich zum statischen EA größere Bewegungsfreiheit in Richtung Knieextension ermöglicht der dynamische EA bei korrekter Einstellung des Kniewinkels und adäquater Auswahl der Federstärke dem Patienten eine kontrollierte und physiologische Bewegungsfreiheit – sowohl im Stehen als auch im Gehen. Dazu im Einzelnen:
Stehen
Ein ausbalanciertes Gleichgewicht sorgt für ein sicheres Stehen des Patienten. Im Stand wird durch die leichte Hyperextension des Knie- und Hüftgelenkes anatomisch eine passive Stabilität erzeugt. Diese physiologische Hyperextension führt zur Kniesicherung, da der Bodenreaktionskraftvektor in dieser Position hinter der Hüft- und vor der Kniegelenksachse verläuft. Die entgegengesetzten Kräfte in Form der ligamentären Spannung des hinteren Kreuzbandes und des Ligamentum iliofemorale stabilisieren dabei das Knie nach dorsal und das Hüftgelenk nach ventral 6. Dieser anatomische kniesichernde Effekt wird durch die Rückverlagerung der mechanischen Knieachse des Systemkniegelenkes erhöht. Ausgehend von der im Grundaufbau der Orthese berücksichtigten Knieflexion (Abb. 3a) kann das Knie gegen den Widerstand der ventralen Federeinheit weiter extendieren (Abb. 3b), was sich positiv auf Standsicherheit und Tragekomfort auswirkt. Orthetisch versorgte Patienten profitieren also bereits im Stehen von der Funktion des dynamischen EA.
Die beschriebene kniesichernde Funktion ist jedoch nur möglich, wenn das dynamische Systemkniegelenk mit einem dynamischen Systemknöchelgelenk kombiniert wird, das eine Bewegungsfreiheit in Plantarflexion zulässt. Damit das Knie aus der leichten Flexion heraus weiter extendieren kann, ist im oberen Sprunggelenk eine Plantarflexionsbewegung erforderlich. Diese wird durch die Fersenkipphebelfunktion des Systemknöchelgelenkes ermöglicht.
Gehen
Der dynamische EA limitiert die Knieextension nach dem Vorbild des physiologischen Gangbildes. Der physiologische Kniewinkelverlauf im Gehen (Abb. 4) verdeutlicht den biomechanischen Nutzen des dynamischen EA, der die vollständige Knieextension ermöglicht. In der Standphase, genauer gesagt in „terminal stance“ (TSt), ist für viele Patienten eine vollständige Knieextension physiologisch 7. Das Kniegelenk kann hierbei sogar leicht hyperextendieren. Daneben zeigt sich kurz vor Ende der Schwungphase in „terminal swing“ (TSw) eine Knieextension, die individuell bis zu 3° Hyperextension beträgt. Beim anschließenden „initial contact“ (IC) ist das Knie extendiert oder ebenfalls leicht hyperextendiert 7. Die genaue Betrachtung der Kniekinematik verdeutlicht, dass nur dann ein Gehen mit physiologischen Gelenkwinkeln erzielt werden kann, wenn die Bewegungsfreiheit durch die Funktionselemente der Orthese so wenig wie möglich eingeschränkt wird. Vor diesem Hintergrund wird der biomechanische Nutzen des dynamischen EA durch die Bewegungsfreiheit der ventralen Federeinheit deutlich. Neben dem biomechanischen Vorteil wirkt sich der gedämpfte weiche Anschlag der ventralen Federeinheit positiv auf den Tragekomfort der Orthese aus.
Fallstudie
Zur Quantifizierung des beschriebenen biomechanischen Nutzens eines dynamischen EA in einer KAFO wurde eine Fallstudie durchgeführt. Dabei wurde die Hüft‑, Knie- und Knöchelkinematik eines gesunden Probanden messtechnisch in der Sagittalebene beim Stehen und Gehen mit einer KAFO ermittelt. Es sollte überprüft werden, ob ein dynamischer EA eine größere Bewegungsfreiheit in Richtung Knieextension ermöglicht als ein statischer EA und somit das Stehen und Gehen beeinflusst.
Methoden
Die Analyse wurde an einem gesunden 31-jährigen männlichen Probanden (180 cm, 80 kg) durchgeführt. Als Prüforthese wurde eine individuelle KAFO in Faserverbundtechnik für das linke Bein hergestellt, in der ein Systemknöchelgelenk mit dynamischem Dorsal- und Plantaranschlag sowie ein rückverlagertes frei bewegliches Systemkniegelenk mit dynamischem EA verarbeitet ist. Über die Bewegungslimitierungsschraube des Gelenkes konnte die ventrale Federwirkung maximal blockiert werden, wodurch ein funktionell statischer EA generiert wurde. Dies ermöglichte den Vergleich zwischen statischem und dynamischem EA anhand derselben Orthese.
Der Grundaufbau der Orthese erfolgte – wie im Kapitel „Einstellbarkeit der Gelenkwinkel“ beschrieben – in leichter Knieflexion von ca. 5° sowie mit einer physiologischen Tibiavorneigung von ebenfalls ca. 5° (Abb. 5). Die Auswahl der Federstärken der dynamischen Knie- und Knöchelgelenke wurde mit Hilfe eines Orthesen-Konfigurators 8 unter Berücksichtigung der probandenspezifischen Daten berechnet. Die gewählte dorsale und ventrale Federeinheit des Systemknöchelgelenkes ermöglicht eine maximale Bewegungsfreiheit von 10°, während die der ventralen Federeinheit des Systemkniegelenkes 9° beträgt. Mit Hilfe eines videobasierten 2D-Ganganalysesystems wurde jeweils eine Stand- und Ganganalyse mit statischem und dynamischem EA durchgeführt. Die Winkelmessung erfolgte durch eine Software mittels Verfolgung anatomischer Referenzpunkte, die mit reflektierenden Markern bestückt waren.
Mit beiden Anschlagstypen wurden zuerst drei Aufnahmen im Stehen und direkt im Anschluss drei vollständige Doppelschritte aufgezeichnet, aus denen die Verläufe von Hüft‑, Knie- und Knöchelwinkel ermittelt wurden. Während des Funktionswechsels nach den Aufnahmen mit dem statischen EA wurde die Orthese nicht abgelegt, um Messfehler gering zu halten. Durch das Herausdrehen der Bewegungslimitierungsschraube des Systemkniegelenkes stand dem Probanden für die Aufnahmen mit dem dynamischen EA die volle Bewegungsfreiheit der ventralen Federeinheit zur Verfügung.
Für die Auswertung der Messungen im Stehen wurden von Hüft‑, Knie- und Knöchelwinkel aus allen drei Messungen jeweils der Mittelwert und die Standardabweichung für beide Anschlagstypen berechnet. Beim Gehen wurde der Doppelschritt auf signifikante Unterschiede zwischen statischem und dynamischem EA in den folgenden Punkten überprüft:
- kompletter Bewegungsumfang („range of motion“ = ROM) von Hüfte, Knie und Knöchel;
- maximale Hüftextension (in „pre swing“), maximale Knieextension (in „initial contact“, „terminal stance“ und „terminal swing“) und maximale Plantarflexion (in „loading response“ und „initial swing“).
Die Überprüfung der statistischen Unterschiede fand mit Hilfe des Wilcoxon-Rangsummentests (α = 0,20) statt.
Ergebnisse
Stehen
Im Vergleich zum statischen EA liegen mit dynamischem EA im Stand signifikante Erhöhungen von Hüftextension (3°) und Knieextension (4°) vor. Die damit einhergehende Erhöhung der Plantarflexion von 2° weist allerdings keine statistische Signifikanz auf (Tab. 1).
Gehen
Bei Verwendung des dynamischen EA zeigt sich im Vergleich zum statischen EA eine erhöhte ROM des sagittalen Hüft- (2°) und Kniewinkels (3°). Außerdem sind die Hüftextension in „pre swing“ und die Knieextension in „initial contact“, „terminal stance“ und „terminal swing“ um jeweils 3° signifikant erhöht. Die Plantarflexion des Knöchelgelenkes in „initial swing“ ist mit dem dynamischen EA im Vergleich zum statischen EA ebenfalls um 2° erhöht (Tab. 2, Abb. 6).
Diskussion
Der beschriebene biomechanische Nutzen eines Systemkniegelenkes mit dynamischem EA konnte sowohl im Stehen als auch im Gehen messtechnisch quantifiziert werden. In beiden Situationen wurde durch die zusätzliche Bewegungsfreiheit der ventralen Federeinheit des Systemkniegelenkes eine physiologischere Knieextension erzielt als bei Verwendung des statischen EA. Die erhöhte Knieextension in „initial contact“, „terminal stance“ und „terminal swing“ ist die Grundlage für die größere Bewegungsfreiheit des Kniegelenkes. Die Messergebnisse zeigen deutlich, dass nach der verbesserten Knieextension in „terminal stance“ auch eine Vergrößerung der Hüftstreckung in „pre swing“ sowie des „push off“ in „initial swing“ folgen. Diese stehen zwar eher in indirektem Zusammenhang mit der Kniekinematik; allerdings ist möglich, dass sich die verstärkte Kniestreckung durch eine Dehnung der Plantarflexorenkette auf die anderen Gelenke ausgewirkt hat. Die Summe dieser Veränderungen führt zu einer messbaren Verbesserung des Gangbildes.
Bei den Messergebnissen ist allerdings zu berücksichtigen, dass die Ganganalyse bei einem gesunden Probanden durchgeführt wurde – muskuläre Kompensationen des Probanden könnten die Ergebnisse beeinflusst haben. Eine Fallserie von Patienten mit neurologisch bedingten Gangstörungen könnte den biomechanischen Nutzen eines Systemkniegelenkes mit dynamischem EA auf das pathologische Gangbild zeigen. Zusätzliche Messungen von räumlichen und zeitlichen Parametern könnten Aufschluss darüber geben, ob die zusätzliche Bewegungsfreiheit Einfluss auf Schrittlänge und Schrittgeschwindigkeit hat.
Fazit
Mit der Verwendung eines Systemkniegelenkes mit dynamischem EA in einer KAFO kann die Qualität orthopädietechnischer Versorgungen von Patienten mit neurologischen Gehstörungen weiter verbessert werden. Das Stehen und Gehen mit physiologischen Gelenkwinkeln kann durch den biomechanischen Vorteil dieses Funktionselementes in einer KAFO optimiert werden. Patienten profitieren vom Zugewinn der Bewegungsfreiheit auf Knieebene, und dem Orthopädietechniker wird durch die umfangreichen Einstellmöglichkeiten und die Modularität des Systemkniegelenkes die Arbeit mit dem Patienten vereinfacht. Die Orthese kann exakt auf das Sicherheitsbedürfnis des Patienten abgestimmt werden. Mit dem hochfunktionalen dynamischen EA wird somit die Auswahl der auf dem Markt befindlichen Systemkniegelenke sinnvoll erweitert.
Für die Autoren:
David Böhle, B. Eng.
Orthopädietechniker
Technischer Support
Fior & Gentz Gesellschaft für Entwicklung
u. Vertrieb von orthopädietechnischen
Systemen mbH
Dorette-von-Stern-Straße 5
21337 Lüneburg
david.boehle@fior-gentz.de
Begutachteter Beitrag/reviewed paper
Böhle D, Sabbagh D, Fior J, Gentz R. Biomechanischer Nutzen eines frei beweglichen Systemkniegelenkes mit dynamischem Extensionsanschlag. Orthopädie Technik, 2021; 72 (11): 46–51
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- Nietert M. The compromise pivot axis of the knee joint. Aachen: Shaker, 2008
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- Fior & Gentz GmbH. Orthesen-Konfigurator. http://www.orthesen-konfigurator.de (Zugriff am 28.07.2021)