Das Synsys-Prothesensystem

Grenzen der Versorgung transfemoral amputierter Menschen

Die auf dem Markt erhältlichen Prothesen für transfemoral Amputierte sind Modular-Prinzipe, welche aus einem Kniegelenk und einer Fuß-Knöchelgelenk-Einheit bestehen. Viele Amputierte sind bereits mit einem mikroprozessorgesteuerten Kniegelenk ausgestattet, das ihr Verhalten während des Gehens in Echtzeit anpassen kann. Im Gegensatz dazu bestehen Fuß-Knöchelgelenk-Module in der Regel lediglich aus einem energierückführenden Fuß, einer Feder aus Verbundmaterial, welche in der Lage ist, während der Standphase Energie zu speichern und diese während der Vortriebsphase wieder abzugeben. Dies ist vor allem auf das höhere Gewicht von Prothesen zurückzuführen, die ein prothetisches Knöchelgelenk umfassen. Da sich der Prothesenfuß am distalen Ende der Prothese befindet, wirkt sich das höhere Gewicht der Prothese besonders stark auf das Gehen von transfemoral amputierten Anwendern aus¹. Daher profitieren Oberschenkelamputierte in der Regel nicht von den Anpassungsmöglichkeiten, die neuere Prothesenknöchelgelenke bieten. Darüber hinaus ist es aufgrund des modularen Aufbaus der heutigen Prothesen nicht möglich, die Synergien zwischen den Gelenken zu reproduzieren, die bei asymptomatischen Anwendern durch die biartikuläre Muskulatur entstehen.

Die Prothesen für transfemoral amputierte Anwender sind daher nicht anpassungsfähig, insbesondere beim Gehen auf unebenen Untergründen, an Schrägen oder auf Treppen, bei denen Amputierte ihren Fuß auf der Treppenkante positionieren müssen² ³ ⁴ ⁵.

Diese Überlegungen haben zur Entwicklung von Synsys (SYNergetic SYStem) geführt. Dieses Prothesensystem für transfemoral amputierte Anwender umfasst 2 Gelenke, die die Beweglichkeit des Knie- und Sprunggelenks nachbilden. Ein gemeinsames Hydrauliksystem zwischen diesen beiden Gelenken reproduziert die Synergie, die bei asymptomatischen Anwendern vorhanden ist. Ein Mikroprozessor steuert das Verhalten der Prothese und ermöglicht, sowohl das Kniegelenk an die verschiedenen Phasen des Gangzyklus als auch die Position des Knöchelgelenkes der jeweiligen Situation anzupassen.

Die beiden Hydraulikzylinder des Synsys-Prothesensystems ermöglichen die Steuerung der beiden zuvor erwähnten Gelenke (Abb. 1). Die Kammern dieser beiden Zylinder sind über einen Hydraulikkreis miteinander verbunden, der so konzipiert ist, dass eine Beugung des Kniegelenks eine Dorsalflexion des Knöchelgelenks proportional nach sich zieht. Diese Synergie ermöglicht die Dorsalflexion des Prothesenfußes während der Schwungphase. Während der Standphase ermöglicht diese Synergie eine Dorsalflexion des Prothesenfußes, so dass der Fuß bei einer Beugung des Prothesenkniegelenks flach auf dem Boden bleibt. Das Hydrauliksystem sorgt zudem für eine gedämpfte Bewegung des Knöchelgelenkzylinders in Richtung der Plantarflexion. Das kompakte Design der Prothese ermöglicht einen sehr großen Bewegungsspielraum im Knöchelgelenk, wobei sich das Gewicht im proximalen Bereich (kniegelenksnah) konzentriert und dadurch eine Erhöhung des gefühlten Gewichts des Prothesenknöchelgelenks vermieden wird. Der Bewegungsspielraum des Knöchelgelenks beträgt mindestens 42°, verteilt je nach Absatzhöhe der gewählten Schuhe auf Plantar- und Dorsalflexion.

Ein motorbetriebenes Ventil sorgt für die Steuerung des Hydraulikflusses bei einer Flexionsbewegung des Kniehebers. Dadurch wird der Beugewiderstand des Kniegelenks angepasst. Die Extensionsbewegungen sind hingegen frei. Die Steuerung dieses Ventils erfolgt durch den Mikroprozessor, der die in der Prothese eingebauten Sensoren nutzt, um die verschiedenen Phasen des Gehens zu erkennen und das Verhalten des Kniegelenkes anzupassen. Durch diese Technologie wird eine gebremste Kniebeugung vor dem Aufsetzen des Fußes auf den Boden und während der gesamten Standphase gewährleistet, während in der Schwungphase eine freie Kniebeugung zugelassen wird.

Die Neutralstellung des Knöchelgelenks wird durch einen Dorsalflexionsanschlag definiert, der einen Öldurchgang blockiert, wenn der Knöchelgelenkzylinder nach unten bewegt wird (Dorsalflexion des Fußes). Die Position dieses Anschlags ist über einen Elektromotor einstellbar. Das System ist daher in der Lage, die Neutralstellung des Knöchelgelenks während des Gehens anzupassen, was der Prothese eine Anpassung des Knöchelgelenks beim Begehen von Schrägen ermöglicht.

Die mikroprozessorgesteuerte Kniegelenkstechnologie

In der Schwungphase

Mit der Entwicklung der Elektronik haben Mikroprozessoren, die eingebettete Sensoren verwenden, eine Trennung der Steuerung zwischen der Stand- und Schwungphase ermöglicht. Dank dieses Ansatzes konnte zunächst die Entwicklung von Kniegelenken mit Mikroprozessoren erfolgen, die ihr Verhalten während der Schwungphase anpassen können und so eine Adaption der Prothese an die Gehgeschwindigkeit möglich machen⁶ ⁷ ⁸ ⁹.

Im Synsys-Prothesensystem regelt die Schwungphasensteuerung die Höhe des Fersenaufschwungs bei der Pendelflexion proportional zur Gehgeschwindigkeit, wodurch ein optimales Schwungphasenverhalten unabhängig von der Gehgeschwindigkeit gewährleistet wird.

In der Standphase

In der Folge wurden Kniegelenke mit Mikroprozessoren für die Standphase entwickelt – was zu einer Verringerung des Sturzrisikos führte. Insbesondere die Gewährleistung eines ausreichenden Beugewiderstands des Kniegelenks, um den Anwender in Antizipation des Prothesenfußstands zu unterstützen, führt zu einer Verringerung des Sturzrisikos¹⁰ ¹¹ ¹² ¹³. Dieser Ansatz wurde im Synsys-Prothesensystem genutzt.

Im Falle eines Stolperns kann die Kontrolle der Standphase die Entwicklung von Strategien zum Auffangen eines Sturzes ermöglichen, indem das Gelenk den Sturz erkennt. Es ist auch möglich, Stürze zu antizipieren, indem man einen hohen Flexionswiderstand gewährleistet und gleichzeitig einen geringen Extensionswiderstand beibehält, während das Prothesenkniegelenk wieder gestreckt wird. Auf diese Weise wird der Amputierte, wenn er beim Durchführen des Prothesenschritts stolpert, von seiner Prothese gestützt¹⁴ ¹⁵ ¹⁶ ¹⁷ ¹⁸ ¹⁹. Bei der Synsys-Prothese wird das Ventil, das die Knieflexion steuert, nach Beendigung der Pendelflexion vollständig geschlossen, während die Kniestreckung frei bleibt. Im Falle eines Stolperns kann sich der Anwender dann auf die Prothese stützen, um sich aufzufangen, da die Beugung blockiert ist.

Die Standphasenkontrolle steuert die Beugung des Prothesenkniegelenks in der Standphase und unterstützt so den Anwender beim Schrägen- und Treppenabgehen, um ein sicheres Bergabgehen in Wechselschritten zu gewährleisten²⁰ ²¹ ²². Das Synsys-Prothesensystem nutzt seine eingebauten Sensoren, um die Beugung des Kniegelenks in der Standphase zu erkennen und unterstützt so während des gesamten Gehzyklus (Abb. 2).

Ein kontrolliert bewegliches Knöchelgelenk

Die üblicherweise von transfemoral amputierten Anwendern verwendeten Prothesen haben kein Knöchelgelenk und die einzige Bewegung des Prothesenfußes in Bezug zur Prothesentibia ist die, welche durch die Deformation des Fußes ermöglicht wird. Diese mangelnde Beweglichkeit des Knöchelgelenks führt dazu, dass das Druckzentrum in der Prothesenstützphase signifikant länger unter der Ferse verbleibt als in der kontralateralen Stützphase oder bei asymptomatischen Anwendern²³. Diese Unterbrechung der Vorwärtsbewegung des Druckzentrums wirkt sich auf die Vorwärtsbewegung des Massenzentrums aus und kann von Amputierten als „toter Punkt“ oder „Ruckeln“ beim Abrollen des Schrittes empfunden werden²⁴. Durch das Hinzufügen eines hydraulisch gesteuerten Knöchelgelenks wird ein normalerer Verlauf des Druckzentrums wiederhergestellt, was sich auf den gesamten Körper auswirkt, wie die geringere Verringerung der Geschwindigkeit des Massenmittelpunkts und die höhere Gehgeschwindigkeit bei Oberschenkelamputierten zeigen²⁵.

Darüber hinaus kann ein Teil der Schwierigkeiten, die beinamputierte Menschen in verschiedenen Alltagssituationen haben (z. B. bei Steigungen, Schrägen oder Treppen), auf eine dahingehende mangelnde Anpassung des Fußes und des Sprunggelenks zurückgeführt werden²⁶ ²⁷ ²⁸ ²⁹. Das Hinzufügen eines Knöchelgelenks ermöglicht einen größeren Bewegungsumfang und verbessert die Anpassung der Prothese in diesen Situationen. Alexander et al. berichten, dass bei einem transfemoral amputierten Anwender, der ein hydraulisches Knöchelgelenk verwendet, das Moment an der Hüfte beim Begehen einer Steigung reduziert wurde³⁰. Eine andere Studie berichtet, dass das Gehen transfemoral amputierter Anwender auf Steigungen bei Verwendung einer hydraulischen Komponente im Vergleich zu einem konventionellen Prothesenfuß eher dem Gehen asymptomatischer Personen entspricht³¹. Hydraulische Knöchelgelenke ermöglichen auch ein leichteres Stehen auf Schrägen, insbesondere wenn dieses Knöchelgelenk mit einem mikroprozessorgesteuerten Kniegelenk kombiniert wird³².

Das hydraulische Knöchelgelenk der Synsys-Prothese ermöglicht einen plantarflektorischen Bewegungsumfang von bis zu 22°. Dieser sehr große Bewegungsumfang erlaubt eine vollständige Plantarflexion des Fußes in allen Situationen. Eine hydraulische Einstellung der Plantarflexion ermöglicht die Kontrolle dieser Bewegung.

Beinamputierte Menschen sind auch hinsichtlich der Schuhe, die sie tragen können, eingeschränkt. Bei Nichtamputierten kann sich das Knöchelgelenk beim Schuhwechsel an die veränderte Absatzhöhe anpassen. Bei Amputierten verhindert das Fehlen des Knöchelgelenks eine Anpassung des Fußes. Die Änderung der Absatzhöhe wirkt sich direkt auf die Ausrichtung der Prothese aus³³ ³⁴ ³⁵. Frauen sind von der Schwierigkeit, den Schuh zu wechseln, besonders betroffen, was die Akzeptanz des Tragens der Prothese erschwert und zu höheren Ausfallraten bei Frauen beiträgt³⁶.

Um dieser Schwierigkeit zu begegnen, wurden mehrere Prothesenfüße entwickelt, deren Ausrichtung leicht verändert werden kann, um sie an verschiedene Schuhe anzupassen. Diese Art von Prothesenfüßen erfordert jedoch, dass der Anwender in der Lage ist, ihre Ausrichtung selbstständig wiederherzustellen³⁷ ³⁸. Ein Forschungsteam hat auch einen Prothesenfuß vorgeschlagen, der aus einem Knöchelgelenkmodul besteht, das in einem 3D-gedruckten Prothesenfuß befestigt wird. Mithilfe des 3D-Drucks kann für jeden Schuh ein anderer Prothesenfuß hergestellt werden. Bei diesem Ansatz bleibt die Ausrichtung der Prothese erhalten, aber die Funktionalität des Prothesenfußes ist eingeschränkt, insbesondere fehlt die Energierückgabe³⁹.

Beim Synsys-Prothesensystem wird die Ausrichtung des Knöchelgelenks durch den motorisierten Dorsalflexionsanschlag definiert. Es ist daher möglich, mehrere Einstellungen zu speichern, die verschiedenen Absatzhöhen von Schuhen entsprechen. Dies ist ein bedeutender Vorteil und eine außergewöhnliche Erfahrung für Prothesenträger, da sie in der Schuhauswahl nicht mehr limitiert sind und so der Wechsel von Schuhwerk bedenkenlos möglich ist. Bis zu 10 verschiedene Absatzhöhen können stufenlos voreingestellt werden (Barfuß + 9 programmierbare Absatzhöhen bis zu 5 cm), ohne die Statik zu beeinflussen. Der Wechsel von einem Schuh zum anderen erfolgt dann einfach über eine App. Wenn der Anwender nicht in der Lage ist, seine eigene Einstellung zu finden, wird die Aufzeichnung der verschiedenen Einstellungen mit dem Orthopädietechniker vorgenommen.

Schließlich können einige mikroprozessorgesteuerte Knöchelgelenke die Position des Fußgelenks beim Gehen auf Schrägen anpassen und so den Prothesenschritt erleichtern. Bei transtibial amputierten Anwendern konnte durch eine solche Anpassung die auf der betroffenen Seite übertragene Kraft reduziert werden, wodurch der Druck im Schaft verringert wurde⁴⁰. Eine andere Studie berichtet von einem Gang beim Bergaufgehen, der dem von asymptomatischen Probanden ähnlicher ist, und von einem verbesserten Sicherheitsgefühl der Anwender⁴¹ ⁴² ⁴³. Die Motorisierung des Knöchelgelenk-Dorsalflexionsanschlags beim Synsys-Prothesensystem ermöglicht die Anpassung des Knöchels beim Bergaufgehen auf ähnliche Weise.

Die Knie-Knöchelgelenk-Synergie

In der Schwungphase

Der Abstand zwischen Prothesenfuß und Boden ist in der mittleren Schwungphase, beim Durchführen des Schritts, gering. In diesem Moment sind die Stolpergefahr und daraus resultierende Sturzunfälle am höchsten. Menschen mit Amputationen sind bekanntermaßen besonders sturzgefährdet. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Amputierter im Laufe eines Jahres mindestens einmal stürzt, liegt bei über 50 %⁴⁴. Um dieses Risiko zu verringern, ermöglichen verschiedene prothetische Komponenten eine Vergrößerung des Abstands zwischen Boden und Prothesenfußspitze. Bei transtibial amputierten Anwendern ermöglichen teilaktive Knöchelgelenksysteme eine Vergrößerung dieses Abstands durch eine aktive Dorsalflexion während der Schwungphase. Dies hat zu einem physiologischeren Gehen beim Bergaufgehen geführt und auch das Vertrauen der Amputierten in ihre Prothese verbessert⁴⁵ ⁴⁶ ⁴⁷ ⁴⁸ ⁴⁹. Bei transfemoral amputierten Menschen werden bionische Knöchelgelenkfüße aufgrund ihres hohen Gewichts selten verwendet, aber andere Prothesenkonzepte ermöglichen es, den Abstand zu vergrößern. Dies ist der Fall bei polyzentrischen Kniegelenken, deren Design den Abstand zwischen der Hüfte und der Prothesenfußspitze stärker verringert, als dies bei herkömmlichen einachsigen Kniegelenken der Fall ist (Abb. 3) ⁵⁰ ⁵¹.

Um den Abstand zwischen Prothesenfuß und Boden während der Schwungphase zu vergrößern, besteht ein weiterer Ansatz, der bei der Entwicklung von Prothesen für transfemoral amputierte Anwender genutzt werden kann. Dieser besteht darin, die synergetische Bewegung nachzuahmen, die bei Nichtamputierten zwischen Kniegelenk und Knöchelgelenk besteht. Dieser Ansatz führte unter anderem zur Entwicklung der Hydra-Cadence-Prothese, welche ein gemeinsames Hydrauliksystem zwischen Knie- und Knöchelgelenk nutzt, um eine aktive Dorsalflexion des Knöchelgelenks während der Schwungphase zu ermöglichen⁵².

Die Synsys-Beinprothese nutzt das gleiche Prinzip und ermöglicht somit eine aktive Dorsalflexion des Knöchelgelenks während der Schwungphase. Bei der Erprobung der Prothese durch 12 transfemoral amputierte Anwender, die abwechselnd mit dem Synsys-Prothesensystem und mit ihrer üblichen mikroprozessorgesteuerten Prothese gingen, führte diese Dorsalflexion im Durchschnitt zu einer Vergrößerung des Abstands zwischen Boden und Prothesenfußspitze um mehr als 2 cm beim Gehen auf ebenem Boden und beim Bergaufgehen (Abb. 4)⁵³.

In der Standphase

Mit den heutigen mikroprozessorgesteuerten Kniegelenken erfordert Treppabgehen Kompensationsmaßnahmen, von denen die offensichtlichste die Platzierung des Prothesenfußes auf der Stufenkante ist. Diese Strategie ermöglicht die Rotation des Fußes relativ zur Stufe und gleicht so die mangelnde Beweglichkeit des Prothesenknöchelgelenkes aus, verringert jedoch die Kontaktfläche zwischen Prothesenfuß und Stufe und damit die Stützbasis. Mit Synsys kann durch die Synergie zwischen Knie- und Sprunggelenk die bei asymptomatischen Personen beobachtete Beweglichkeit des Sprunggelenks wiederhergestellt werden, so dass der Prothesenfuß vollständig auf der Stufe aufgesetzt werden kann. Diese Strategie führt zu einer Vergrößerung des Knöchel- und Kniegelenkwinkels auf der Prothesenseite, wie in Abbildung 5 dargestellt. Sie zeigt die Knöchel- und Kniegelenkwinkel, die bei einem amputierten Anwender beim Treppabgehen mit dem Synsys-System (blau) und dem üblichen mikroprozessorgesteuerten Kniegelenk (rot) im Vergleich zu den Durchschnittskurven Nicht-amputierter (grau) ermittelt wurden.

Fazit

Die in der Wissenschaft ständig neu gewonnenen Erkenntnisse und der Einsatz moderner Technologien und Materialien ermöglichen heutzutage zeitgemäße Prothesenversorgungen. Das einzigartige, integrale mechatronische Synsys von Proteor (Dijon, Frankreich), das mit einer gleichzeitigen Koordination der Knöchel- und Kniebewegungen im Zusammenspiel mit der Hüftbeugung entwickelt wurde, kann Alltagssituationen des Anwenders erleichtern und eröffnet neue Ansätze für zukünftige Entwicklungen von Prothesenpassteilen. Die Funktionsweise erleichtert Betroffenen alltägliche Bewegungen, die sonst mit einer Oberschenkelprothese nur schwer oder gar nicht möglich sind. Der Bewegungsumfang des Knöchels von 42° sorgt für eine permanente Adaption des Fußes an den Untergrund. Über die Anwender-App können 10 Absatzhöhen von bis zu 5 cm gespeichert werden. Synsys kann durch die funktionellen Vorteile das tägliche Leben von Anwendern verbessern. Stabilität und Sicherheit werden erhöht, alltägliche Bewegungen wieder zur Selbstverständlichkeit.

Interessenkonflikt:
Die Autoren arbeiten für Proteor, Hersteller von Synsys.

Die Autoren:
Clement Duraffourg
Laurine Calistri
Proteor S.A.S.
6 rue de la Redoute
21850 Saint Apollinaire
Frankreich
clement.duraffourg@proteor.com
laurine.calistri@proteor.com

Adam Baier
Proteor Deutschland GmbH
adam.baier@proteor.com

Begutachteter Beitrag/reviewed paper

Zitation
Duraffourg C, Calistri L, Baier A. Das Synsys-Prothesensystem – technische und klinische Merkmale. Orthopädie Technik, 2024; 75 (12): 70 – 75

Abb. 1 Die Hydraulikzylinder des Synsys-Prothesensystems ermöglichen die Steuerung des Knie- und Knöchelgelenkes.

Abb. 2a u. b Ein ausreichender Beugewiderstand des Kniegelenks unterstützt Anwender in Antizipation des Prothesenfußstands sowohl auf Treppen (a) als auch in der Schräge (b).

Abb. 3 Die Synsys-Beinprothese ermöglicht eine aktive Dorsalflexion des Knöchelgelenkes während der Schwungphase.

Abb. 4 Minimaler Abstand zwischen Boden und Prothesenfußspitze (MTC) während der Schwungphase mit dem Synsys-Prothesensystem (blau) und mit dem herkömmlichen mikroprozessorgesteuerten Kniegelenk des Anwenders (rot). Daten aus der Untersuchung mit 12 transfemoral amputierten Probanden. Der Balken stellt den Durchschnitt über alle Probanden dar, die Standardabweichung wird durch das Segment dargestellt [vgl. Requena C et al. Increased of stability and security in transfemoral amputees with a knee-ankle synergistic system. Gait & Posture, 2023; 106: 51–52. https://doi.org/10.1016/j.gaitpost.2023.07.065].

Abb. 5 Daten von einem Benutzer mit Oberschenkelamputation, der eine Treppe hinuntergeht. Die Linie ist der Mittelwert für diese Person und der Korridor stellt die Standardabweichung dar. Blau ist das Synsys-Prothesensystem, rot ist das herkömmliche mikroprozessorgesteuerte Kniegelenk des Benutzers, grau sind asymptomatische Probanden (entnommen aus Dauriac B. Contribution à la mise en œuvre et l’évaluation de technologies embarquées pour l’appareillage de personnes amputées du membre inférieur. Châlons-en-Champagne: Ecole nationale supérieure d‘arts et métiers, 2018. https://doi.org/10.13140/RG.2.2.23900.08329).

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Gren­zen der Ver­sor­gung trans­fe­mo­ral ampu­tier­ter Menschen