Das neue C‑Leg: neue Funk­tio­nen und neue Technologie

Ein­lei­tung

Die Ein­füh­rung des mikro­pro­zes­sor­ge­steu­er­ten Knie­ge­lenk­sys­tems C‑Leg im Jah­re 1997 lös­te mit inzwi­schen über 60.000 Ver­sor­gun­gen eine nach­hal­ti­ge Revo­lu­ti­on in der Pro­the­tik aus. Mit dem C‑Leg wur­de ein neu­er Sicher­heits­stan­dard durch die zuver­läs­si­ge Unter­stüt­zung des Gehens in der Ebe­ne mit ver­schie­de­nen Geschwin­dig­kei­ten und des Abwärts­ge­hens auf Trep­pen und Ram­pen erreicht ¹. Die­ser Erfolg wur­de durch eine in der Exo­pro­the­tik von kei­nem Pro­dukt auch nur annä­hernd erreich­te Viel­zahl kli­ni­scher Stu­di­en belegt ^{2 3}. Das C‑Leg hat bis heu­te im direk­ten Ver­gleich mit ande­ren Knie­ge­len­ken eine her­aus­ra­gen­de Stel­lung bezüg­lich Funk­tio­na­li­tät und Sicher­heit ⁴. C‑Leg-Anwen­der pro­fi­tie­ren vor allem durch ⁵:

Anzei­ge

• eine deut­li­che Reduk­ti­on der Sturzhäufigkeit,
• eine Stei­ge­rung der geteil­ten Aufmerksamkeit,
• gestei­ger­te Aktivität,
• einen grö­ße­ren Bewe­gungs­ra­di­us und
• gestärk­tes Ver­trau­en in die Prothese.

Das C‑Leg legt den Fokus auf Sicher­heit und zuver­läs­si­ge Unter­stüt­zung der Grund­funk­tio­nen für unein­ge­schränk­te Außen­be­reichs­ge­her. Die Wei­ter­ent­wick­lun­gen Geni­um und Geni­um X3 legen einen zusätz­li­chen Schwer­punkt auf die phy­sio­lo­gi­sche­re Gestal­tung des Gang­bilds (OPG – Opti­mi­zed Phy­sio­lo­gi­cal Gait), um damit eine deut­li­che Ver­rin­ge­rung der Ungleich­heit zwi­schen natür­li­cher Kör­per­funk­ti­on und künst­li­chem Ersatz zu errei­chen. Zusätz­lich wer­den ver­schie­de­ne Akti­vi­tä­ten des täg­li­chen Lebens abseits des zykli­schen Gehens durch Funk­tio­nen unter­stützt, die nicht wie Zusatz­mo­di bewusst akti­viert wer­den müs­sen, son­dern den Anwen­der im All­tag mög­lichst intui­tiv in der Situa­ti­on unter­stüt­zen, ohne sei­ne Auf­merk­sam­keit zu benö­ti­gen ⁶. Das Geni­um stellt damit heut­zu­ta­ge den Stand der Tech­nik in der Ver­sor­gung von Ober­schen­kel­am­pu­tier­ten dar.

Nach wie vor gibt es jedoch eine brei­te Basis von C‑Leg-Anwen­dern. Um die wich­tigs­ten Kun­den­wün­sche die­ser Anwen­der­grup­pe zu erfül­len und ihnen den aktu­el­len tech­no­lo­gi­schen Fort­schritt zugäng­lich zu machen, hat sich Otto­bock dazu ent­schlos­sen, das C‑Leg zu über­ar­bei­ten (Abb. 1). Dabei wur­den eine ein­fa­che­re Aus­lö­sung der Schwung­pha­se, eine gerin­ge­re Bau­hö­he, damit auch klei­ne­re Anwen­der von funk­tio­nel­le­ren Füßen pro­fi­tie­ren kön­nen, ein ver­bes­ser­tes Mensch-Maschi­ne-Inter­face (Fern­be­die­nung) und ein bes­se­rer Schutz vor Beschä­di­gung durch Feuch­tig­keit umge­setzt. Im Rah­men des Rede­signs soll­te auch Bewähr­tes durch neu­es­te Tech­no­lo­gie ver­bes­sert wer­den. Dabei blieb man der Pro­dukt­po­si­tio­nie­rung treu: Das C‑Leg soll die Grund­funk­tio­nen für einen unbe­schränk­ten Außen­be­reichs­ge­her zuver­läs­sig und sicher unterstützen.

Tech­no­lo­gie

Das neue C‑Leg bleibt wei­ter­hin ein mikro­pro­zes­sor­ge­steu­er­tes, ein­ach­si­ges Knie­ge­lenk­sys­tem. Es ver­wen­det eine Hydrau­lik mit dem bereits bekann­ten 2‑We­ge-Prin­zip, bei der die Wider­stän­de in Fle­xi­ons- und Exten­si­ons­rich­tung unab­hän­gig von­ein­an­der durch den Mikro­pro­zes­sor stu­fen­los ver­stellt wer­den kön­nen ⁷. Die Abtast­fre­quenz wur­de auf 100 Hz erhöht. Ein gro­ßer tech­no­lo­gi­scher Fort­schritt ist die Ein­füh­rung einer neu­ar­ti­gen 6‑achsigen IMU (Iner­ti­al Moti­on Unit), die mit einem eige­nen Mikro­pro­zes­sor die Lage des Knie­ge­lenks im Raum berech­net. So ste­hen dem Steu­er­al­go­rith­mus Infor­ma­tio­nen über den Raum­win­kel, die Rota­ti­on im Raum und die Beschleu­ni­gung des Knies in allen 3 Koor­di­na­ten­ach­sen zur Ver­fü­gung. Die Ein­füh­rung die­ser Tech­no­lo­gie ermög­lich­te den Ver­zicht auf den – beim Vor­gän­ger­mo­dell nicht immer belieb­ten – elek­tro­ni­schen Rohr­ad­ap­ter. Zur Kraft­mes­sung wird nun das Knie­ex­ten­si­ons­mo­ment erfasst (Abb. 2), wel­ches zusam­men mit der IMU und einem Knie­win­kel­sen­sor zuver­läs­sig Infor­ma­tio­nen über den Bewe­gungs- und Belas­tungs­zu­stand der Pro­the­se gibt.

Grund­funk­tio­nen

Neue Schwung­pha­sen­ein­lei­tung

Die Auf­ga­be der Schwung­pha­sen­aus­lö­sung ist das Erken­nen der ter­mi­na­len Stand­pha­se, da hier der Beu­ge­wi­der­stand in Vor­be­rei­tung für die Ein­lei­tung der Schwung­pha­se nied­rig gestellt wer­den soll. In der spä­ten Stand­pha­se kann das unbe­merkt und sicher gesche­hen, weil das Knie­ge­lenk durch den am Fuß vor­ge­rück­ten Kraft­vek­tor in den Exten­si­ons­an­schlag gedrückt wird und so nicht unkon­trol­liert ein­kni­cken kann. Wäh­rend Otto­bock in den 90er Jah­ren mit der Mes­sung des Knö­chel­mo­men­tes die damals tech­no­lo­gisch fort­schritt­lichs­te Erken­nung die­ses Zeit­punk­tes ver­wen­de­te, ist es heu­te mög­lich, durch die IMU und einen paten­tier­ten Algo­rith­mus die ter­mi­na­le Stand­pha­se direk­ter zu bestim­men. Schluss­end­lich ist die ter­mi­na­le Stand­pha­se durch eine Vor­wärts­nei­gung und Vor­wärts­ro­ta­ti­on des Beins unter Belas­tung defi­niert ⁸. Die IMU ermit­telt dabei direkt die Infor­ma­ti­on, die bei den Vor­gän­ger­mo­del­len noch durch die Knö­chel­mo­men­ten­mes­sung (damals best­mög­lich) geschätzt wur­de ⁹. Neben der Vor­wärts­nei­gung und der Vor­wärts­ro­ta­ti­on sind der Boden­kon­takt des Fußes (Fuß in Ruhe) und ein stre­cken­des Moment im Knie Kri­te­ri­en für die Ein­lei­tung der Schwung­pha­se (Abb. 3). Der neue Algo­rith­mus ist dadurch gewichts­un­ab­hän­gi­ger, erlaubt klei­ne­re Schrit­te und den bes­se­ren Über­gang in die Schwung­pha­se auf wei­chem sowie unebe­nem Unter­grund. Die ers­ten Schrit­te mit dem neu­en C‑Leg sind somit leich­ter zu erler­nen. Auch siche­res Rück­wärts­ge­hen ist mög­lich, da die Schwung­pha­se beim Rück­wärts­ge­hen nicht mehr aus­ge­löst wer­den kann.

Ver­bes­ser­te Schwungphasenregelung

Die Schwung­pha­sen­re­ge­lung konn­te dank erhöh­ter Pro­zes­sor­leis­tung und kom­ple­xe­rer Rege­lungs­tech­nik gegen­über dem Vor­gän­ger­mo­dell opti­miert wer­den. Sie bie­tet noch weni­ger Wider­stand beim lang­sa­men Gehen und mehr Dyna­mik beim schnel­len Gehen ¹⁰. Zusätz­lich wird nun auch die Schwung­pha­sen­ex­ten­si­on in Echt­zeit an die Geh­ge­schwin­dig­keit ange­passt. Der Exten­si­ons­wi­der­stand wird beim lang­sa­men Gehen erhöht, sodass das Knie lang­sa­mer nach vor­ne schwingt und einen har­mo­ni­sche­ren Bewe­gungs­ab­lauf ermöglicht.

Erhöh­ter Stolperschutz

Alle mecha­tro­ni­schen Otto­bock-Knie­ge­len­ke bie­ten wegen der 2‑We­ge-Hydrau­lik und des „default stance“-Verhaltens inhä­ren­te Sicher­heit wäh­rend der Schwung­pha­sen­ex­ten­si­on, in der ein Hän­gen­blei­ben mit der Zehe vor­kom­men kann. Da das Fle­xi­ons­ven­til wäh­rend der Exten­si­ons­be­we­gung schon prä­ven­tiv auf Stand­pha­sen­wi­der­stand ein­ge­stellt ist, wird der unter­stüt­zen­de Wider­stand bei einer Bewe­gungs­um­kehr durch ein Stol­pern sofort wirk­sam. Der erhöh­te Stol­per­schutz erwei­tert die­ses Kon­zept. Der Fle­xi­ons­wi­der­stand wird wäh­rend der Schwung­pha­sen­ex­ten­si­on knie­win­kel­ab­hän­gig über den Wert der Stand­pha­se hin­aus erhöht. So wird beim Stol­pern, bei dem das Gelenk plötz­lich mit hohen Kräf­ten in gebeug­ter Stel­lung belas­tet wird, zusätz­li­che Unter­stüt­zung gege­ben. Anders als beim Vor­gän­ger­mo­dell, wo der Stol­per­schutz erst durch einen Zehen­kon­takt akti­viert wur­de, ist der Stol­per­schutz beim neu­en C‑Leg bei jeder Schwung­pha­sen­ex­ten­si­on prä­ven­tiv aktiv. Außer­dem wur­de der Wider­stands­wert für noch mehr Unter­stüt­zung erhöht.

Gehen mit Standphasenflexion

Das neue C‑Leg bie­tet die vom Vor­gän­ger­mo­dell gewohn­te Unter­stüt­zung bei der Stand­pha­sen­beu­gung. Der Beu­ge­wi­der­stand wird vom Ortho­pä­die-Tech­ni­ker über die PC-Soft­ware ein­ge­stellt, aber nicht wie beim Geni­um in Echt­zeit gere­gelt, sodass die Stand­pha­sen­beu­gung beim ebe­nen Gehen wie beim Vor­gän­ger­mo­dell nicht begrenzt wird. Durch kon­struk­ti­ve Ände­run­gen in der Hydrau­lik kön­nen nun für die Stand­pha­sen­ex­ten­si­on höhe­re Exten­si­ons­wi­der­stän­de erreicht wer­den. Zusam­men mit einer auto­ma­ti­schen Rege­lung der Stand­pha­sen­ex­ten­si­on wird so eine wesent­lich har­mo­ni­sche­re Stre­ckung bei der Stand­pha­sen­ex­ten­si­on gewähr­leis­tet. Vor allem für eini­ge schwe­re Anwen­der sowie bei Hüf­tex-Ver­sor­gun­gen kön­nen daher im Ver­gleich zum Vor­gän­ger­mo­dell bes­se­re Ergeb­nis­se erzielt werden.

Funk­tio­nen und Modi

Wie beim Vor­gän­ger­mo­dell bie­tet das neue C‑Leg eine Steh­funk­ti­on, die über ein Bewe­gungs­mus­ter (Beu­gen – Hal­ten – Stre­cken – Hal­ten) akti­viert wer­den kann. Zusätz­lich gibt es die Wahl einer intui­ti­ven Steh­funk­ti­on, die das Gelenk blo­ckiert, wenn es in gebeug­ter Posi­ti­on ruhig gehal­ten wird. Durch die IMU wird das Ende des Ste­hens zuver­läs­sig erkannt und eine uner­wünsch­te Akti­vie­rung der Steh­funk­ti­on im Sit­zen ver­hin­dert. Die Sitz­funk­ti­on schal­tet das Gelenk in einen nied­ri­gen Wider­stand, um das Mani­pu­lie­ren des Unter­schen­kels im Sit­zen zu erleichtern.

Wie vom Vor­gän­ger­mo­dell gewohnt, gibt es zwei pro­gram­mier­ba­re Modi („2nd Mode“ und „3rd Mode“), die nun über 3- bzw. 4‑maliges Wip­pen auf dem Vor­fuß, gefolgt von einem Bei­stel­len des Pro­the­sen­beins zur kon­tra­la­te­ra­len Sei­te, akti­viert wer­den kön­nen. Anwen­der­tests haben gezeigt, dass die­ses Mus­ter den Anwen­dern leich­ter fällt als das Bewe­gungs­mus­ter des Vor­gän­ger­mo­dells (Wip­pen auf Zehe und Fer­se gefolgt von einem Ent­las­ten), vor allem da der Ein­bein­stand wäh­rend des Ent­las­tens entfällt.

Design für den Alltag

Das neue C‑Leg ist mit 289 mm dista­ler Sys­tem­hö­he 60 mm kür­zer als das Vor­gän­ger­mo­dell, was es erleich­tert, Anwen­der mit ortho­pä­die­tech­nisch her­aus­for­dern­den Gege­ben­hei­ten zu ver­sor­gen und funk­tio­nel­le­re, höher bau­en­de Füße zu ver­wen­den (Abb. 4). Es ist für 136 kg Kör­per­ge­wicht frei­ge­ge­ben. Zum Schutz gegen Feuch­tig­keit wur­de es wet­ter­fest gemacht. Spritz­was­ser, Regen oder ein kur­zer Süß­was­ser­schwall scha­den dem Gelenk nicht. Län­ge­res Unter­tau­chen und kor­ro­si­ve Medi­en wie zum Bei­spiel Salz- oder Chlor­was­ser blei­ben aber dem Geni­um X3 vor­be­hal­ten. Die Posi­ti­on des Ladeste­ckers wur­de an den pos­te­rio­ren Unter­schen­kel ver­legt, um das Ein­drin­gen von Was­ser zu ver­hin­dern und eine bes­se­re kos­me­ti­sche Ver­sor­gung im Knie­be­reich zu ermög­li­chen. Der Beu­ge­win­kel wur­de auf 130° erhöht. Um das Gelenk vor Beschä­di­gun­gen durch den Schaft zu schüt­zen, gibt es die Mög­lich­keit, den maxi­ma­len Beu­ge­win­kel durch Anschlags­ele­men­te um 8° zu verringern.

Um das Mensch-Maschi­ne-Inter­face zu ver­bes­sern, wur­de eine Bluetooth®-Schnittstelle in das Gelenk inte­griert. Dadurch wur­de es mög­lich, eine Android-App zum Wech­seln der Modi, zum Fein­jus­tie­ren von Ein­stell­wer­ten und zum Abru­fen von Infor­ma­tio­nen der Pro­the­se anzu­bie­ten, die das moder­ne, intui­ti­ve User­in­ter­face von Smart­phones nutzt (Abb. 5). Die App läuft auf allen gän­gi­gen Android-Smart­phones. Beson­de­re Anfor­de­run­gen von Apple an die Bluetooth®-Hardware erlau­ben es lei­der momen­tan tech­no­lo­gisch nicht, eine iOS-App anzu­bie­ten. Alter­na­tiv kann die Otto­bock Remo­te Con­trol 4X350 ver­wen­det wer­den. Die Bluetooth®-Schnittstelle lässt sich deak­ti­vie­ren, bei­spiels­wei­se wäh­rend einer Flug­rei­se. Die maxi­ma­le Laut­stär­ke des Bee­pers (akus­ti­scher Signal­ge­ber) wur­de erhöht; das akus­ti­sche Signal lässt sich nun in Laut­stär­ke und Ton­hö­he einstellen.

Zum Schutz des Gelenks wur­de ein zeit­ge­mä­ßer Pro­tek­tor ent­wi­ckelt, des­sen Gestal­tung dem wach­sen­den Selbst­ver­trau­en von Ampu­tier­ten gerecht wer­den soll (Abb. 6). Durch eine inno­va­ti­ve tex­ti­le Lösung wur­de der Spalt zwi­schen Pro­tek­tor und Fuß­kom­po­nen­te geschlos­sen. Wech­sel­ba­re Schutz­blen­den ermög­li­chen dem Anwen­der eine Indi­vi­dua­li­sie­rung sei­ner Pro­the­se (Abb. 7). Das neue C‑Leg ist in den zwei Farb­stel­lun­gen „Vol­ca­no Shadow“ und „Desert Pearl“ erhält­lich, um auf Vor­lie­ben der Anwen­der ein­ge­hen zu kön­nen (sie­he Abb. 1).

Anwen­dungs­tech­nik durch den Orthopädie-Techniker

Das zer­ti­fi­zier­te Fach­per­so­nal kann mit­tels einer PC-Ein­stell­soft­ware (C‑Soft Plus) und der im neu­en C‑Leg inte­grier­ten Bluetooth®-Schnittstelle die Ein­stel­lun­gen anpas­sen. Die Ein­stell­soft­ware unter­stützt die Ein­stel­lung mit pati­en­ten­in­di­vi­du­el­len Vor­schlä­gen und lei­tet durch den Auf­bau der Pro­the­se. Die Auf­bau­emp­feh­lung ent­spricht der Otto­bock-Stan­dard­emp­feh­lung für mono­zen­tri­sche, mecha­tro­ni­sche Knie­ge­lenk­sys­te­me. Durch den Ent­fall des elek­tro­ni­schen Rohr­ad­ap­ters ist kein spe­zi­el­ler Rohr­ad­ap­ter mehr not­wen­dig. Stan­dard­ad­ap­ter mit 34 mm Durch­mes­ser kön­nen ver­wen­det wer­den. Ein Akti­vi­täts­re­port ermög­licht dem Ortho­pä­die-Tech­ni­ker eine Doku­men­ta­ti­on des Therapieerfolgs.

Fazit

Seit sei­ner Markt­ein­füh­rung hat das C‑Leg die Bein­pro­the­tik nach­hal­tig revo­lu­tio­niert. Dank des tech­no­lo­gi­schen Fort­schritts gibt es bei der neu­en Gene­ra­ti­on des C‑Leg eine wei­te­re Ver­bes­se­rung der Grund­funk­tio­na­li­tät bei klei­nen Schrit­ten, beim Gehen auf wei­chen Unter­grün­den, beim Rück­wärts­ge­hen und beim Gehen mit ver­schie­de­nen Geschwin­dig­kei­ten. Die intui­ti­ve Steh­funk­ti­on unter­stützt das Ste­hen und ent­las­tet damit die erhal­te­ne Sei­te. Durch die Ver­kür­zung der Bau­hö­he kön­nen nun mehr Anwen­der vom C‑Leg pro­fi­tie­ren und funk­tio­nel­le­re Füße ver­wen­det wer­den. Die nach­ge­wie­se­ne C‑Leg-Funk­tio­na­li­tät wur­de auf den neu­es­ten tech­no­lo­gi­schen Stand gebracht und ist damit „fit und wet­ter­fest“ für die nächs­ten Jahre.

Für die Autoren:
Dipl.-Ing. Phil­ipp Kam­pas, MBA
Otto Bock Health­ca­re GmbH
Brehm­stra­ße 16
A‑1110 Wien
Philipp.Kampas@ottobock.com

Begut­ach­te­ter Beitrag/reviewed paper

1. Kam­pas P, Bell­mann M, Weigl-Pol­lack A. Das neue C‑Leg und sei­ne erwei­ter­ten Funk­tio­nen. Ortho­pä­die Tech­nik, 2011; 62 (10): 722–727
2. Otto Bock Health­Ca­re Deutsch­land GmbH (Hrsg). Inter­na­tio­na­le Stu­di­en zum C‑Leg. Lite­ra­tur­über­sicht. 3., aktua­li­sier­te Auf­la­ge. Duder­stadt: Otto Bock, 2014. http://professionals.ottobock.de/cps/rde/xbcr/ob_de_de/646B33-D-01–1001w.pdf (Zugriff am 09.09.2015). Bestell­num­mer: 646B33=D‑06–1403
3. Qua­ke T, McGar­ry A. Micro­pro­ces­sor-Con­trol­led Kne­es – A Review Of The Lite­ra­tu­re. Pro­cee­dings of the ISPO 2013 World Con­gress. Hyde­r­a­bad, 2013
4. Thie­le J, Wes­teb­be B, Bell­mann M, Kraft M. Designs and per­for­mance of micro­pro­ces­sor­con­trol­led knee joints. Bio­med Tech, 2014; 59 (1): 65–77
5. Otto Bock Health­Ca­re Deutsch­land GmbH (Hrsg). Inter­na­tio­na­le Stu­di­en zum C‑Leg. Lite­ra­tur­über­sicht. 3., aktua­li­sier­te Auf­la­ge. Duder­stadt: Otto Bock, 2014. http://professionals.ottobock.de/cps/rde/xbcr/ob_de_de/646B33-D-01–1001w.pdf (Zugriff am 09.09.2015). Bestell­num­mer: 646B33=D‑06–1403
6. Kam­pas P, Seyr M. Tech­no­lo­gie und Funk­ti­ons­wei­se des Geni­um Pro­the­senknie­ge­lenks. Ortho­pä­die Tech­nik, 2011; 62 (12): 898–903
7. Kam­pas P, Bell­mann M, Weigl-Pol­lack A. Das neue C‑Leg und sei­ne erwei­ter­ten Funk­tio­nen. Ortho­pä­die Tech­nik, 2011; 62 (10): 722–727
8. Per­ry J. Gait Ana­ly­sis. Nor­mal and Patho­lo­gi­cal Func­tion. Tho­ro­fa­re, New Jer­sey: Slack Inc., 1992
9. Kam­pas P, Bell­mann M, Weigl-Pol­lack A. Das neue C‑Leg und sei­ne erwei­ter­ten Funk­tio­nen. Ortho­pä­die Tech­nik, 2011; 62 (10): 722–727
10. Kraft M. Func­tion­al Out­co­mes of Dif­fe­rent Micro­pro­ces­sor Con­trol­led Kne­es – A Tech­no­lo­gi­cal Stu­dy. Pro­cee­dings of the ISPO 2015 World Con­gress. Lyon, 2015