C‑Brace-Orthe­sen­sys­tem und kon­ven­tio­nel­le Bein­orthe­sen im Ver­gleich – Eine bio­me­cha­ni­sche Untersuchung

T. Schmalz, E. Pröbsting
Im Beitrag wird die mikroprozessorgesteuerte C-Brace-Orthese mit konventionellen KAFO-Versorgungen beim ebenen Gehen und Abwärtsgehen auf Schrägen und Treppen anhand biomechanischer Parameter verglichen. Die Tests wurden mit 6 Patienten unterschiedlicher Grunderkrankungen durchgeführt (Vorversorgung: 4 × SCO, 2 × gesperrte KAFO). Die Resultate belegen, dass die mit C-Brace erstmals mögliche Knieflexion unter Belastung mit einem hohen Maß an Vertrauen genutzt wird. Hierdurch kann das alternierende Abwärtsgehen auf Schrägen und Treppen näherungsweise physiologisch realisiert werden. Beim ebenen Gehen wird durch die in der Mehrzahl der Fälle nachweisbare Standphasenflexion und die mikroprozessorbasierte Regulierung der Schwungphase ein harmonischeres Gangbild bei variablen Gehgeschwindigkeiten ermöglicht.

Ein­lei­tung

Bei Orthe­sen­ver­sor­gun­gen von Pati­en­ten mit Pare­sen und Para­ly­sen der unte­ren Extre­mi­tät wur­de in der Ver­gan­gen­heit oft­mals die Knie-Knö­chel-Fuß-Orthe­se (KAFO) mit kom­plet­ter Sper­re des Knie­ge­lenks ein­ge­setzt. Die­ses „klas­si­sche” Prin­zip der kom­plet­ten Bein­ver­stei­fung gewähr­leis­tet beim Gehen zwar die Sicher­heit der Pati­en­ten, ist aber mit bio­me­cha­ni­schen und meta­bo­li­schen Nach­tei­len ver­bun­den. Hier­zu zäh­len u. a. eine spür­ba­re Über­las­tung des Bewe­gungs­ap­pa­rats 1 und ein abnorm hoher meta­bo­li­scher Ener­gie­be­darf 2.

Anzei­ge

Die seit etwa 10 Jah­ren ver­füg­ba­ren Orthe­sen mit nur in der Stand­pha­se ver­rie­gel­tem und in der Schwung­pha­se ent­rie­gel­tem Knie­ge­lenk (eng­lisch: Stance Con­trol Ortho­sis – SCO) ermög­li­chen beim ebe­nen Gehen einen natür­li­che­ren Bewe­gungs­ab­lauf und somit eine mess­ba­re Redu­zie­rung der Nach­tei­le der kon­ven­tio­nel­len Ver­sor­gun­gen 3. Die für den Pati­en­ten­all­tag bedeut­sams­te funk­tio­nel­le Limi­tie­rung der SCO besteht dar­in, dass kei­ne gedämpf­te Kniefle­xi­on unter Belas­tung mög­lich ist. Hier­durch sind bei­spiels­wei­se wich­ti­ge Bewe­gungs­ab­läu­fe der All­tags­mo­to­rik wie das nähe­rungs­wei­se natür­li­che alter­nie­ren­de Abwärts­ge­hen auf Schrä­gen und Trep­pen oder das Hin­set­zen unter Belas­tung der Orthe­se unmöglich.

Durch die neu­ent­wi­ckel­te C‑Brace-Orthe­se (Abb. 1) steht erst­mals ein Orthe­sen­sys­tem zur Ver­fü­gung, wel­ches die funk­tio­nel­len Ein­schrän­kun­gen der SCO-Sys­te­me redu­ziert. Die in der C‑Brace-Orthe­se inte­grier­te mikro­pro­zessor­ge­steu­er­te Hydrau­lik­ein­heit stellt im Knie­ge­lenk für alle Situa­tio­nen der All­tags­mo­to­rik indi­vi­du­ell ange­pass­te Bewe­gungs­wi­der­stän­de zur Ver­fü­gung. Dies ermög­licht u. a. das alter­nie­ren­de Abwärts­ge­hen auf Schrä­gen und Trep­pen mit spe­zi­fi­scher Dämp­fung der Kniefle­xi­on, die geschwin­dig­keits­an­ge­pass­te Steue­rung der Schwung­pha­se und eine Redu­zie­rung der Sturzgefahr.

Über kon­struk­ti­ve Details der C‑Brace-Orthe­se und ers­te Pati­en­ten­er­fah­run­gen wur­de bereits in einer frü­he­ren Arbeit berich­tet 4. Im vor­lie­gen­den Bei­trag wer­den die Ergeb­nis­se bio­me­cha­ni­scher Tests von Bewe­gungs­ab­läu­fen des All­tags vor­ge­stellt, mit­hil­fe derer die Funk­tio­na­li­tä­ten kon­ven­tio­nel­ler Bein­orthe­sen (kom­plet­te Knie­sper­re und SCO) mit denen der C‑Brace-Orthe­se ver­gli­chen wer­den können.

Bei der Dis­kus­si­on der Mess­ergeb­nis­se steht der zusätz­li­che Pati­en­ten­nut­zen, der sich aus den tech­ni­schen Neue­run­gen der C‑Brace-Orthe­se ergibt, im Fokus.

Metho­den

Pati­en­ten und Kontrollgruppe

An der Unter­su­chung nah­men 6 Pati­en­ten unter­schied­li­cher Grund­er­kran­kun­gen und kli­ni­scher Erschei­nungs­bil­der teil, die im All­tag mit einer KAFO orthe­tisch vor­ver­sorgt waren. In 4 Fäl­len bestand die­se Ver­sor­gung aus einem SCO-Sys­tem (uni­la­te­ral). Zwei Pati­en­ten konn­ten aus Sicher­heits­grün­den nicht mit einer SCO ver­sorgt wer­den und nutz­ten des­halb eine indi­vi­du­ell gefer­tig­te KAFO mit kom­plet­ter Sper­re des Knie­ge­lenks (1 × uni­la­te­ral, 1 × bila­te­ral). Detail­lier­te Anga­ben der Pati­en­ten, ein­schließ­lich des Mus­kel­sta­tus der Haupt­mus­kel­grup­pen der unte­ren Extre­mi­tät, sind in Tabel­le 1 zusammengefasst.

Zur all­ge­mei­nen Ein­schät­zung der Resul­ta­te stan­den die Wer­te einer ortho­pä­disch und neu­ro­lo­gisch unauf­fäl­li­gen Kon­troll­grup­pe, die in einer frü­he­ren Stu­die mit iden­ti­scher Mess­tech­nik unter­sucht wur­de, zur Ver­fü­gung 5.

C‑Brace-Orthe­se

Die C‑Brace-Orthe­se (sie­he Abb. 1) reprä­sen­tiert eine indi­vi­du­ell gefer­tig­te KAFO mit einer mikro­pro­zessor­ge­steu­er­ten Knie­ge­lenks­ein­heit. Mit­hil­fe eines Knie­win­kel­sen­sors und eines Sys­tems von Deh­nungs­mess­strei­fen, das auf einer knö­chel­über­grei­fen­den Faser­ver­bund­fe­der ange­bracht ist, wer­den fort­lau­fend drei essen­ti­el­le bio­me­cha­ni­sche Para­me­ter ermit­telt: Knie­win­kel, Knie­win­kel­ge­schwin­dig­keit und Knö­chel­mo­ment. Aus die­sen Infor­ma­tio­nen wird die jewei­li­ge Bewe­gungs­pha­se iden­ti­fi­ziert und eine Linear­hy­drau­lik gesteu­ert. Mit einer Arbeits­fre­quenz von 50 Hz wer­den dadurch die erfor­der­li­chen Bewe­gungs­wi­der­stän­de des Knie­ge­lenks bewe­gungs- und geschwin­dig­keits­ab­hän­gig ange­passt. Das bedeu­tet, dass eine Kniefle­xi­on unter Belas­tung und eine Steue­rung der Schwung­pha­se indi­vi­du­ell opti­miert rea­li­siert wer­den kann. Eine aus­führ­li­che­re Dar­stel­lung der tech­ni­schen Prin­zi­pi­en kann in der bereits erwähn­ten frü­he­ren Arbeit nach­ge­le­sen wer­den 6.

Durch­ge­führ­te Untersuchungen

Alle unter­such­ten Pati­en­ten wur­den wäh­rend der kon­trol­lier­ten Markt­ein­füh­rung des C‑Brace-Sys­tems mit die­sem ver­sorgt. Bei einem ers­ten Ter­min im Labor wur­den zunächst die bio­me­cha­ni­schen Tests mit der bis­he­ri­gen All­tags­ver­sor­gung durch­ge­führt. Die­se bestan­den aus der gang­ana­ly­ti­schen Ver­mes­sung des ebe­nen Gehens bei selbst­ge­wähl­ter Geschwin­dig­keit. Da eine Pati­en­tin (Pati­en­ten­num­mer 4 in Tab. 1) die Geh­ge­schwin­dig­keit spür­bar vari­ie­ren konn­te, wur­de in die­sem Fall das Gehen neben der selbst­ge­wähl­ten Geschwin­dig­keit auch bei redu­zier­ter und erhöh­ter Geschwin­dig­keit ver­mes­sen. Bei den Pati­en­ten, die in der Lage waren, Ram­pe oder Trep­pe mit einer alter­nie­ren­den Schritt­fol­ge zu bewäl­ti­gen, wur­den auch die­se Bewe­gungs­ab­läu­fe mess­tech­nisch erfasst.

Nach die­sen Tests erfolg­ten die Ver­sor­gung mit der C‑Brace-Orthe­se und eine mehr­stün­di­ge phy­sio­the­ra­peu­tisch beglei­te­te Pha­se zur Ein­wei­sung in die Funk­tio­nen des Sys­tems. Anschlie­ßend nutz­ten die Pati­en­ten die­se Orthe­se mehr­wö­chig im All­tag. Nach die­ser Nut­zungs­zeit wur­den bei einem zwei­ten Ter­min im Labor alle Tests mit die­ser Orthe­se wie­der­holt. Aus orga­ni­sa­to­ri­schen Grün­den konn­te kei­ne ein­heit­li­che Test­zeit rea­li­siert wer­den. Die jewei­li­ge Län­ge der Test­pha­se ist in Tabel­le 1 angegeben.

Mess­tech­nik und Datenverarbeitung

Die beim ebe­nen Gehen wir­ken­den Boden­re­ak­ti­ons­kräf­te wur­den mit zwei Kraft­mess­plat­ten (Kist­ler 9287A, Kist­ler, Win­ter­thur, Schweiz; Abtast­ra­te 1080 Hz) gemes­sen. Die Erfas­sung der Kine­ma­tik der Bewe­gung erfolg­te über die Auf­zeich­nung der Tra­jek­to­ri­en von pas­si­ven Mar­kern mit einem opto­elek­tro­ni­schen Kame­ra­sys­tem (Vicon 460, Vicon, Oxford, Groß­bri­tan­ni­en; Abtast­ra­te 120 Hz). Hier­zu wur­den 14 Mar­ker gemäß eines selbst­ent­wi­ckel­ten Modells ver­wen­det 7 8.

Das Trep­pen­ge­hen wur­de mit einer fünf­stu­fi­gen Test­trep­pe rea­li­siert. Dabei war die mitt­le­re Stu­fe mit einer Mess­plat­te ver­bun­den, so dass bei die­sem Stu­fen­kon­takt die Boden­re­ak­ti­ons­kraft gemes­sen wer­den konn­te. Die Test­ram­pe (Nei­gungs­win­kel 10°) wies eine Län­ge von 5 m auf. Ein in der Mit­te befind­li­ches Ele­ment hat­te mit der Mess­plat­te Kon­takt, so dass an die­ser Stel­le die Boden­re­ak­ti­ons­kraft eben­falls mess­bar war. Eine detail­lier­te Beschrei­bung der Test­an­ord­nung für das Trep­pen- und Schrä­gen­ge­hen ist in einer frü­he­ren Arbeit dar­ge­stellt 9.

Bei allen unter­such­ten Bewe­gungs­ab­läu­fen wur­den jeweils 8 bis 10 Dop­pel­schritt­zy­klen ver­mes­sen. Aus den Markerda­ten wur­den die sagit­ta­len Gelenk­win­kel berech­net. Die Bestim­mung der exter­nen Gelenk­mo­men­te erfolg­te mit­hil­fe der kine­ma­ti­schen Daten und der Boden­re­ak­ti­ons­kräf­te. Bei sämt­li­chen Berech­nun­gen kamen selbst­ge­schrie­be­ne Pro­gram­me zur Anwen­dung (Vicon Body Lan­guage 3.5).

Für alle bio­me­cha­ni­schen Para­me­ter erfolg­te die Bil­dung von indi­vi­du­el­len gang­zy­klus­nor­mier­ten Mit­tel­wer­ten. Wei­ter­hin wur­den aus die­sen Ver­läu­fen aus­ge­zeich­ne­te Maxi­mal­wer­te extra­hiert. Auf­grund der dif­fe­ren­ten funk­tio­nel­len Mög­lich­kei­ten der Vor­ver­sor­gun­gen und der rela­tiv klei­nen Pati­en­ten­zahl wird beim Ver­gleich zwi­schen bis­he­ri­ger Ver­sor­gung und C‑Brace-Orthe­se bezüg­lich der bio­me­cha­ni­schen Para­me­ter auf einen Ver­gleich von Grup­pen­mit­tel­wer­ten mit­hil­fe einer prü­fen­den Sta­tis­tik ver­zich­tet. Glei­ches gilt auf­grund der dif­fe­ren­ten Bewe­gungs­ge­schwin­dig­kei­ten für den Ver­gleich der Para­me­ter zwi­schen den Pati­en­ten und der Kon­troll­grup­pe. Ein auf einer prü­fen­den Sta­tis­tik beru­hen­der Ver­gleich ist ein­zig hin­sicht­lich der Zeit-Distanz-Para­me­ter sinn­voll und wur­de mit dem Wil­coxon-Test durchgeführt.

Resul­ta­te

Ebe­nes Gehen

Im Mit­tel gin­gen die Pati­en­ten mit bei­den Orthe­sen­ver­sor­gun­gen mit einer bei­na­he iden­ti­schen Geschwin­dig­keit – Vor­ver­sor­gung 1.12 (Mit­tel­wert) ± 0.10 (Stan­dard­ab­wei­chung) m/s; C‑Brace 1.11 ± 0.10 m/s – und signi­fi­kant lang­sa­mer als die Kon­troll­grup­pe (1.45 ± 0.11 m/s, p < 0.01). Die Schritt­län­gen-Asym­me­trie (Schritt­län­gen-Dif­fe­renz zwi­schen betrof­fe­ner und nicht­be­trof­fe­ner Sei­te) war eben­falls für bei­de Situa­tio­nen im Ver­gleich mit der Kon­troll­grup­pe (natür­li­che Rechts-Links-Dif­fe­renz 0.02 ± 0.01 m) in einer ähn­li­chen Grö­ßen­ord­nung signi­fi­kant erhöht (Vor­ver­sor­gung 0.06 ± 0.04 m; C‑Brace 0.05 ± 0.04 m; p < 0.01).

Aus den orthe­sen­sei­tig gemes­se­nen Knie­win­kel­ver­läu­fen folgt, dass die mit C‑Brace mög­li­che Kniefle­xi­on unter Belas­tung bei 5 von 7 orthe­tisch ver­sorg­ten Extre­mi­tä­ten (4 von 6 Pati­en­ten) mit einem Mit­tel­wert von 11.0 ± 5.6° genutzt wird. Der mitt­le­re Schwung­pha­sen­fle­xi­ons­win­kel aller C‑Brace-Orthe­sen betrug 66.6 ± 8.5°. Bei den 4 SCO-Sys­te­men wur­de ein Mit­tel­wert von 74.0 ± 6.4° gemes­sen. Zwei Ein­zel­bei­spie­le der Knie­win­kel­ver­glei­che zwi­schen C‑Brace und Vor­ver­sor­gung sind in Abbil­dung 2 dargestellt.

Das orthe­sen­sei­ti­ge Hüft­mo­ment weist bei allen Pati­en­ten unab­hän­gig von der orthe­ti­schen Ver­sor­gung wäh­rend der Stand­pha­se kon­ti­nu­ier­lich hohe Wer­te auf. Hin­sicht­lich des mitt­le­ren Maxi­mal­wer­tes des unmit­tel­bar nach Stand­pha­sen­be­ginn wir­ken­den flek­tie­ren­den Momen­tes wer­den mit der mikro­pro­zessor­ge­steu­er­ten Orthe­se im Ver­gleich mit SCO gering­fü­gig höhe­re Wer­te gemes­sen (0.72 ± 0.12 vs. 0.62 ± 0.05 Nm/kg), im Ver­gleich mit der kom­plett gesperr­ten Orthe­se nied­ri­ge­re (0.55 ± 0.15 vs. 0.68 ± 0.02 Nm/kg). Das unmit­tel­bar vor Ein­lei­tung der Schwung­pha­se mess­ba­re Exten­si­ons­mo­ment ist mit C‑Brace im Ver­gleich zur Vor­ver­sor­gung ein­heit­lich redu­ziert (-0.21 ± 0.31 vs. ‑0.36 ± 0.30 Nm/kg [SCO] und ‑0.41 ± 0.24 vs. ‑0.53 ± 0.25 Nm/ kg [KAFO gesperrt]).

Hin­sicht­lich der Gelenk­mo­men­te der gro­ßen Gelen­ke der kon­tralate­ra­len unte­ren Extre­mi­tät – Indi­ka­to­ren für die Belas­tung des Bewe­gungs­ap­pa­ra­tes 10 – sind bei den 5 uni­la­te­ral betrof­fe­nen Pati­en­ten ein­heit­lich nur gering­fü­gi­ge Dif­fe­ren­zen im Ver­gleich zwi­schen C‑Brace-Orthe­se und SCO-Sys­tem mess­bar. Deut­li­che Ver­än­de­run­gen erge­ben sich bei der im Rah­men der Vor­ver­sor­gung uni­la­te­ral mit kom­plet­ter Sper­re ver­sorg­ten Pati­en­tin ins­be­son­de­re für das Hüft­ge­lenk. Der Maxi­mal­wert des nach Stand­pha­sen­be­ginn wir­ken­den Fle­xi­ons­mo­men­tes sinkt von einem extrem hohen Wert von 1.24 Nm/kg (kom­plet­te Sper­re) auf 0.60 Nm/kg ­(C‑Brace), der des Exten­si­ons­mo­ments vor Schwung­pha­sen­be­ginn von 0.49 Nm/kg­auf 0.06 Nm/kg.

Die Knie­win­kel­ver­läu­fe der mit einer Pati­en­tin durch­ge­führ­ten Varia­ti­on der Geh­ge­schwin­dig­kei­ten sind in Abbil­dung 3 doku­men­tiert. Dabei geht die Pati­en­tin mit C‑Brace zwi­schen 0.74 und 1.44 m/s, wobei der maxi­ma­le Schwung­pha­sen­fle­xi­ons­win­kel zwi­schen 59 und 70° vari­iert. Mit dem SCO-Sys­tem (E‑MAG Acti­ve) kann die Pati­en­tin bei der selbst­ge­wähl­ten nied­ri­gen Geschwin­dig­keit von 0.73 m/s die Schwung­pha­sen­funk­ti­on nicht aus­lö­sen. Mitt­le­re und hohe Geschwin­dig­keit betra­gen 0.96 und 1.35 m/s. In die­sem Bereich vari­iert der Schwung­pha­sen­fle­xi­ons­win­kel zwi­schen 58 und 70°.

Ram­pe

Mit der Vor­ver­sor­gung waren bei­de mit kom­plet­ter Sper­re ver­sorg­te Pati­en­ten sowie zwei mit SCO-Sys­tem in der Lage, auf der Ram­pe alter­nie­rend abwärts zu gehen. Hier­zu waren jedoch auf­grund der anhal­ten­den Knie­ex­ten­si­on in der Stand­pha­se dras­ti­sche kom­pen­sa­to­ri­sche Bewe­gungs­mus­ter erfor­der­lich; die Nut­zung des Hand­laufs war unum­gäng­lich. Mit mikro­pro­zessor­ge­steu­er­ter Orthe­se konn­ten alle Pati­en­ten die Bewe­gung nähe­rungs­wei­se phy­sio­lo­gisch durch­füh­ren, wobei ein Pati­ent den Hand­lauf nutz­te. Da sich kon­struk­ti­ons­be­dingt nur mit der C‑Brace-Orthe­se ein natür­li­ches Bewe­gungs­mus­ter rea­li­sie­ren lässt, wer­den nur die mit die­ser Orthe­se gemes­se­nen bio­me­cha­ni­schen Daten anhand des Ver­gleichs mit Nor­mal­wer­ten evaluiert.

Die Pati­en­ten gin­gen auf der Ram­pe mit einer im Ver­gleich zur Kon­troll­grup­pe signi­fi­kant redu­zier­ten mitt­le­ren Geschwin­dig­keit (0.89 ± 0.15 m/s vs. 1.40 ± 0.15 m/s, p < 0.01) und einer signi­fi­kant ver­grö­ßer­ten mitt­le­ren Asym­me­trie der Schritt­län­gen (0.13 ± 0.09 m vs. 0.02 ± 0.01 m, p < 0.01).

Der orthe­sen­sei­tig gemes­se­ne Knie­win­kel­ver­lauf zeigt, dass mit die­ser Orthe­se die Mög­lich­keit der Kniefle­xi­on unter Belas­tung von den Pati­en­ten genutzt wird. In allen Fäl­len wird gemäß dem Ein­zel­bei­spiel in Abbil­dung 4 (links) eine nach Stand­pha­sen­be­ginn ein­set­zen­de kon­ti­nu­ier­li­che Kniefle­xi­on gemes­sen. Der mitt­le­re maxi­ma­le Fle­xi­ons­win­kel ist im Ver­gleich mit dem der Nor­mal­grup­pe um ca. 10° redu­ziert (64.6 ± 8.2° vs. 75.8 ± 4.8°). Hin­sicht­lich des orthe­sen­sei­ti­gen Hüft­mo­men­tes wird ein ähn­li­cher Effekt wie beim ebe­nen Gehen gemes­sen. Abwei­chend vom Ver­lauf Gesun­der ist wäh­rend der Stand­pha­se für alle Pati­en­ten ein kon­ti­nu­ier­lich hohes Moment nach­weis­bar (Abb. 4, rechts). Die auf der nicht­be­trof­fe­nen Sei­te gemes­se­nen Maxi­mal­wer­te der ver­ti­ka­len Boden­re­ak­ti­ons­kraft und der exter­nen Gelenk­mo­men­te, wel­che laut frü­he­ren Unter­su­chun­gen zuver­läs­si­ge Indi­ka­to­ren für die Belas­tung des Bewe­gungs­ap­pa­ra­tes pro­the­ti­scher Ver­sor­gun­gen beim Schrä­gen- und Ram­pen­ge­hen sind 11, zei­gen durch­gän­gig nied­ri­ge­re Wer­te als die der Gesun­den (Tab. 2).

Trep­pe

Mit der Vor­ver­sor­gung konn­te kein Pati­ent die Trep­pe alter­nie­rend bewäl­ti­gen. Mit der C‑Brace-Orthe­se war hier­zu jeder Pati­ent unter Zuhil­fe­nah­me des Hand­laufs in der Lage. Die bio­me­cha­ni­sche Bewer­tung der mit die­ser Orthe­se gemes­se­nen Para­me­ter erfolgt des­halb wie­der anhand des Ver­gleichs mit der Kontrollgruppe.

Der mit C‑Brace ermit­tel­te orthe­sen­sei­ti­ge Knie­win­kel­ver­lauf ähnelt unter qua­li­ta­ti­vem Aspekt unab­hän­gig von der Vor­ver­sor­gung dem Nor­mal­ver­lauf. Unmit­tel­bar nach Stand­pha­sen­be­ginn setzt eine kon­ti­nu­ier­li­che Fle­xi­on unter Belas­tung bis zum Errei­chen des maxi­ma­len Fle­xi­ons­win­kels ein. Exem­pla­risch ist hier­zu in Abbil­dung 5 (links) wie­der ein Pati­en­ten­bei­spiel ange­ge­ben. Der gemit­tel­te maxi­ma­le Kniefle­xi­ons­win­kel ist im Ver­gleich mit Gesun­den um knapp 15° redu­ziert (70.5 ± 12.4° vs. 85.4 ± 6.2°). Bei der Ana­ly­se des orthe­sen­sei­tig wir­ken­den Hüft­mo­ments zeigt sich ein ähn­li­cher Effekt wie beim Schrä­gen­gang. Der unmit­tel­bar nach Stand­pha­sen­be­ginn auf­tre­ten­de Maxi­mal­wert ist redu­ziert (0.68 ± 0.22 Nm/kg vs. 0.76 ± 0.27 Nm/kg), im wei­te­ren Ver­lauf wir­ken jedoch, abwei­chend vom Bewe­gungs­mus­ter Gesun­der, ins­be­son­de­re zwi­schen 15 und 40 % des Gang­zy­klus rela­tiv hohe Momen­te. Dies ist erneut ver­an­schau­licht anhand des Pati­en­ten­bei­spiels (Abb. 5, rechts). Die Maxi­mal­wer­te bio­me­cha­ni­scher Para­me­ter der kon­tralate­ra­len Extre­mi­tät sind im Ver­gleich mit den Refe­renz­wer­ten Gesun­der redu­ziert, ein­zi­ge Aus­nah­me ist hier­bei das maxi­ma­le Kniefle­xi­ons­mo­ment (-1.08 vs. 0.88 Nm/kg, Tab. 2).

Dis­kus­si­on

Mit der vor­lie­gen­den Unter­su­chung wird der aus der Tech­no­lo­gie der C‑Brace-Orthe­se im Ver­gleich mit bis­her bekann­ten KAFO-Ver­sor­gun­gen resul­tie­ren­de Pati­en­ten­nut­zen anhand bio­me­cha­ni­scher Mess­ergeb­nis­se dar­ge­stellt. Die im Wesent­li­chen aus der mikro­pro­zessor­ge­steu­er­ten Regu­lie­rung des Knie­ge­lenk-Bewe­gungs­wi­der­stan­des resul­tie­ren­den neu­en Funk­tio­nen sind bewe­gungs­ab­hän­gig zu diskutieren.

Beim ebe­nen Gehen wird die mög­li­che Stand­pha­sen­fle­xi­on mit dem neu­en Orthe­sen­prin­zip von der Mehr­zahl der Pati­en­ten genutzt und ent­spricht mit einem Mit­tel­wert von 11° unter Berück­sich­ti­gung der im Ver­gleich mit Gesun­den ver­min­der­ten Geh­ge­schwin­dig­keit weit­ge­hend dem phy­sio­lo­gi­schen Wert 12. Die bei­den Pati­en­ten, die die­se Orthe­sen­ei­gen­schaft nicht nut­zen, wei­sen als ein­zi­ge der unter­such­ten Grup­pe ein hohes Mus­kel­kraft­ni­veau der Hüft­ex­ten­so­ren auf (Pati­en­ten 1 und 4, Tab. 1). Mög­li­cher­wei­se wur­de die­ses bei frü­he­ren Ver­sor­gun­gen zur Aus­füh­rung von not­wen­di­gen kom­pen­sa­to­ri­schen Bewe­gungs­mus­tern genutzt, die auch nach der mehr­wö­chi­gen Adap­t­ati­ons­pha­se an die ­C‑Brace-Orthe­se noch nicht kor­ri­giert sind und somit die Ein­lei­tung der Stand­pha­sen­fle­xi­on „blo­ckie­ren”. Die­ser Aspekt macht deut­lich, dass auf­grund der neu­ar­ti­gen Orthe­sen­funk­tio­nen Neu­ver­sor­gun­gen in jedem Fal­le mit phy­sio­the­ra­peu­ti­schen Maß­nah­men beglei­tet wer­den sollten.

Die orthe­sen­sei­ti­gen Hüft­mo­men­te, die im Ver­gleich mit dem Mus­ter Gesun­der im Ver­lauf der Stand­pha­se durch­gän­gig hohe Wer­te anneh­men, wei­sen auf not­wen­di­ge Ände­run­gen der Moto­rik hin, die unab­hän­gig vom Orthe­sen­typ sind. Dem­zu­fol­ge wird die Steue­rung der jewei­li­gen Orthe­se haupt­säch­lich durch ver­mehr­te und kom­pen­sa­to­ri­sche Akti­vi­tä­ten im Bereich des Hüft­ge­lenks oder des Rump­fes rea­li­siert, was im Rah­men der kine­ti­schen Para­me­ter mit­hil­fe des sagit­ta­len Hüft­mo­ments am anschau­lichs­ten nach­ge­wie­sen wer­den kann.

Hin­sicht­lich der ein­deu­tig zu iden­ti­fi­zie­ren­den Spit­zen­wer­te weist nur das exter­ne Exten­si­ons­mo­ment, wir­kend unmit­tel­bar gegen Ende der Stand­pha­se, bei kom­plett gesperr­ter KAFO einen deut­lich erhöh­ten Wert auf. Dies ist inter­pre­tier­bar mit einem unum­gäng­li­chen „Mehr­auf­wand”, um die durch­gän­gig ver­steif­te Extre­mi­tät in die Schwung­pha­se zu brin­gen. Die­ser Effekt wird im vor­lie­gen­den Fall durch die Ver­sor­gung mit der C‑Brace-Orthe­se deut­lich redu­ziert. Frü­he­re Unter­su­chun­gen zei­gen einen ähn­li­chen Effekt für den Ver­gleich zwi­schen SCO und kom­plett gesperr­ter KAFO 13.

Die mit allen Orthe­sen gemes­se­ne kon­tralate­ra­le Gelenk­be­las­tung ist, ver­gli­chen mit den Nor­mal­wer­ten, wie­der­um nur für das Hüft­ge­lenk bei kom­plett ver­steif­ter Orthe­se dras­tisch erhöht und stellt in die­sem Fall eine kri­ti­sche Mehr­be­las­tung des Bewe­gungs­ap­pa­rats dar. Sowohl für die Vor­ver­sor­gun­gen mit SCO als auch mit der neu­en Orthe­se ist eine sol­che Mehr­be­las­tung nicht fest­stell­bar. Dies gilt zunächst streng nur für die unter­such­te Geh­ge­schwin­dig­keit. Jedoch kann aus der in frü­he­ren Stu­di­en ermit­tel­ten Abhän­gig­keit der Höhe der Gelenk­mo­men­te von der Geh­ge­schwin­dig­keit 14 geschluss­fol­gert wer­den, dass sich bei den Pati­en­ten mit SCO und mikro­pro­zessor­ge­steu­er­ter Orthe­se auch bei einer um ca. 0.3 m/s erhöh­ten Geschwin­dig­keit, wel­che dann dem Wert der Nor­mal­grup­pe ent­spre­chen wür­de, kei­ne spür­ba­re Mehr­be­las­tung des Bewe­gungs­ap­pa­rats ein­stellt. Im direk­ten Ver­gleich zwi­schen SCO und C‑Brace wer­den hin­sicht­lich der Gelenk­be­las­tung ähn­li­che Wer­te gemes­sen. Dies ist als Hin­weis inter­pre­tier­bar, dass sich die Nut­zung der im Ver­gleich mit SCO-Sys­te­men um ca. 1 kg schwe­re­ren C‑Brace-Orthe­se nicht nach­tei­lig auf den Bewe­gungs­ap­pa­rat auswirkt.

Die Ein­zel­un­ter­su­chung mit Varia­ti­on der Geh­ge­schwin­dig­keit zeigt das grund­sätz­li­che Poten­zi­al der mikro­pro­zessor­ge­steu­er­ten Schwung­pha­sen­steue­rung. Die mit 11° rela­tiv gerin­ge Ver­än­de­rung des maxi­ma­len Fle­xi­ons­win­kels führt im unter­such­ten Geschwin­dig­keits­be­reich zu einer Har­mo­nie des Gang­bil­des, wel­che nur gering­fü­gig von der Gang­dy­na­mik abhän­gig ist. Das Ein­zel­bei­spiel doku­men­tiert dabei die dies­be­züg­lich grund­sätz­li­chen Limi­tie­run­gen der SCO-Sys­te­me nicht zuletzt dadurch, dass der Pati­ent bei der nied­ri­gen Geschwin­dig­keit nicht in der Lage war, die freie Schwung­pha­se über­haupt auszulösen.

Beim Abwärts­ge­hen auf Schrä­gen und Trep­pen zei­gen sich die funk­tio­nel­len Vor­tei­le der neu­en Orthe­se im Ver­gleich mit den Mög­lich­kei­ten bis­her bekann­ter Orthe­sen­kon­zep­te erwar­tungs­ge­mäß am deut­lichs­ten. Das auf der Schrä­ge bei 4 Pati­en­ten auch mit der Vor­ver­sor­gung beob­ach­te­te alter­nie­ren­de Gehen erfor­dert auf­grund der feh­len­den Kniefle­xi­on unter Belas­tung extrem unna­tür­li­che Bewe­gungs­mus­ter, die zu einer deut­li­chen Über­las­tung des Bewe­gungs­ap­pa­rats, ins­be­son­de­re im Knö­chel- und Knie­ge­lenk, füh­ren müs­sen 15. Die gedämpf­te Kniefle­xi­on unter Belas­tung der C‑Brace-Orthe­se hin­ge­gen ermög­licht eine nähe­rungs­wei­se natür­li­che Abwärts­be­we­gung des Kör­per­schwer­punk­tes. Die kon­tralate­ral gemes­se­nen Spit­zen­wer­te der Gelenk­mo­men­te sind als ver­läss­li­cher Hin­weis zu wer­ten, dass der Bewe­gungs­ap­pa­rat beim Schrä­gen­gang mit C‑Brace weit­ge­hend phy­sio­lo­gisch belas­tet wird. Die ähn­lich wie beim ebe­nen Gehen sowohl auf der Schrä­ge als auch auf der Trep­pe gemes­se­nen rela­tiv hohen orthe­sen­sei­ti­gen Hüft­mo­men­te wei­sen dar­auf hin, dass die neu­ro­mus­ku­lä­re Kon­trol­le der neu­ar­ti­gen Orthe­sen­funk­ti­on über kom­pen­sa­to­ri­sche Mus­kel­ak­ti­vi­tä­ten im Bereich des Hüft­ge­len­kes und des Rump­fes rea­li­siert wer­den muss.

Beim alter­nie­ren­den Trep­pen­gang ist zur Nut­zung der Kniefle­xi­on unter Belas­tung kon­struk­tiv bedingt eine spe­zi­fi­sche Bewe­gungs­tech­nik erfor­der­lich. Dabei muss die Trep­pen­kan­te im Mit­tel­fuß­be­reich kon­tak­tiert wer­den; nach­fol­gend „rollt” der Fuß über die Trep­pen­kan­te ab. Mög­li­cher­wei­se resul­tie­ren aus die­ser not­wen­di­gen Bewe­gungs­tech­nik teil­wei­se höhe­re kon­tralate­ra­le Gelenk­mo­men­te, die in gerin­gem Aus­maß am Knie­ge­lenk nach­weis­bar waren und einem aus der Bein­pro­the­tik bekann­ten Effekt ent­spre­chen 16. Trotz die­ses unver­meid­ba­ren Kom­pen­sa­ti­ons­me­cha­nis­mus ist im alter­nie­ren­den Trepp­ab­ge­hen im Rah­men der hier getes­te­ten Bewe­gungs­ab­läu­fe der deut­lichs­te funk­tio­nel­le Zuge­winn für die Pati­en­ten im Ver­gleich mit allen bis­her bekann­ten Orthe­sen­kon­zep­ten zu sehen.

Bemer­kens­wert ist das hohe Ver­trau­en, mit wel­chem die Pati­en­ten die neu­ar­ti­ge Orthe­sen­funk­ti­on der Kniefle­xi­on unter Belas­tung nut­zen. Dies kann u. a. belegt wer­den durch die mehr­heit­li­che Nicht­nut­zung des Hand­lau­fes beim Schrä­gen­gang und spricht für ein im Ver­gleich mit allen bis­her bekann­ten KAFO-Kon­zep­ten spür­bar gestei­ger­tes Sicher­heits­po­ten­zi­al der C‑Brace-Orthe­se. Die­ses erhöh­te Sicher­heits­po­ten­zi­al ist nicht nur beim Her­ab­ge­hen von Trep­pen und Schrä­gen, son­dern auch in ande­ren All­tags­si­tua­tio­nen gege­ben, da der Beu­ge­wi­der­stand gene­rell zur Ver­fü­gung steht. Somit ist auch die Sturz­ge­fahr, die bei­spiels­wei­se durch Stol­pern oder unebe­ne Unter­grün­de ent­steht, reduziert.

Auf­grund der erhöh­ten Sicher­heit der neu­en Orthe­se ist zu erwar­ten, dass zukünf­tig auch Pati­en­ten ver­sorg­bar sein wer­den, für die die Nut­zung eines SCO-Sys­tems nicht mög­lich ist. Dies trifft bei­spiels­wei­se auch für die bei­den Pati­en­ten die­ser Stu­die zu, deren Vor­ver­sor­gung aus einer gesperr­ten KAFO bestand. Der Sicher­heits­aspekt ist für Pati­en­ten mit Läh­mun­gen oder Mus­kel­schwä­chen an der unte­ren Extre­mi­tät von hoher Bedeu­tung und bei der Dis­kus­si­on der Funk­tio­na­li­tät einer KAFO-Ver­sor­gung stets zu berücksichtigen.

Für die Autoren:
Dr. Tho­mas Schmalz
Otto Bock Healthcare,
Bereich Forschung/Biomechanik
Her­mann-Rein-Stra­ße 2a
37075 Göt­tin­gen
Thomas.Schmalz@ottobock.de

Begut­ach­te­ter Beitrag/Reviewed paper

Zita­ti­on
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