Das neue C‑Leg: neue Funk­tio­nen und neue Technologie

Ph. Kampas, D. Seifert
Mit dem neuen C-Leg wird ein Redesign des erfolgreichsten mechatronischen Kniegelenks vorgestellt. Es berücksichtigt die wichtigsten Kundenwünsche mit Hilfe neuester technologischer Möglichkeiten. Das Ziel war es wie beim Vorgängermodell, die Grundbedürfnisse uneingeschränkter Außenbereichsgeher zuverlässig und sicher zu erfüllen. Der Artikel beschreibt die überarbeiteten Funktionen des Gelenks und deren technologische Hintergründe.

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

Zita­ti­on
Kam­pas Ph, Sei­fert D. Das neue C‑Leg: neue Funk­tio­nen und neue Tech­no­lo­gie. Ortho­pä­die Tech­nik, 2015; 66 (10): 46–49

 

  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
Tei­len Sie die­sen Inhalt
Anzeige