Das Über­win­den von Trep­pen mit Beinprothesen

Gleich­ge­wicht und Ungleich­ge­wicht im Gangzyklus

Um die Her­aus­for­de­rung Trep­pe bzw. Schrä­ge für einen Pro­the­sen­trä­ger bes­ser zu ver­ste­hen, ist es wich­tig, den Gang­zy­klus unter den nor­ma­len Umstän­den eines zwei­bei­ni­gen Gan­ges und unter dem Gesichts­punkt des Gleich­ge­wichts und des Ungleich­ge­wichts zu betrachten.

Der Gang­zy­klus erfor­dert eine ste­ti­ge Bewah­rung des Gleich­ge­wichts. Stän­dig wird das Ungleich­ge­wicht, das beim Gehen erzeugt wird, durch kom­pen­sa­to­ri­sche Bewe­gun­gen aus­ge­gli­chen. Der Kör­per erfährt eine zyklisch immer wie­der­keh­ren­de Schwer­punkt­ver­la­ge­rung. „Lau­fen ist nicht nur die rhyth­mi­sche Bewe­gung der Hüft- und Knie­ge­len­ke, son­dern eine Ganz­kör­per­be­we­gung (…) in einem nahe­zu unsicht­ba­ren Wech­sel von Ungleich­ge­wicht und Gleich­ge­wicht” (www.gallerydiabolus.com/MAPPE1/ html/biomechanik.html) ¹.

Gegen die Schwer­punkt­ver­la­ge­rung beim Gehen nut­zen wir in der Regel vier Akti­vi­tä­ten ¹: Sobald die Schwung­pha­se für das eine Bein beginnt, bedeu­tet dies die Siche­rung des Gleich­ge­wichts durch das ande­re Bein, das Stand­bein. Dabei kommt es zu einer Viel­zahl von Aus­gleichs­be­we­gun­gen, die im gan­zen Kör­per voll­zo­gen wer­den. Eine der wich­tigs­ten Bewe­gun­gen in die­sem Zusam­men­hang ist die Absen­kung des Beckens auf der Schwung­pha­sen­sei­te. Die ers­te Stra­te­gie des Kör­pers gegen die­se Schwer­punkt­ver­la­ge­rung ist eine Viel­zahl von Mus­kel­kon­trak­tio­nen, um den Kör­per sta­bil zu hal­ten. Da die Mus­kel­kon­trak­tio­nen nicht aus­rei­chend sind, kommt es zu einer Becken­ver­la­ge­rung. Die­se bewirkt eine Ände­rung der Posi­ti­on des Ober­kör­pers, um in der Schwe­re­li­nie des Kör­pers zu blei­ben. Wenn die­se bei­den Akti­vi­tä­ten nicht aus­rei­chend sein soll­ten, kommt es zu einer wei­te­ren Reak­ti­on, dem Aus­fall­schritt. Die­ser schützt uns vor dem Sturz, falls die Schwer­punkt­ver­la­ge­rung nicht unter Kon­trol­le zu bekom­men ist. Wenn auch der Aus­fall­schritt nicht aus­reicht, müs­sen wir uns anleh­nen oder abstüt­zen. Falls dazu nicht die Mög­lich­keit besteht, kommt es zum Sturz.

Der bein­am­pu­tier­te Pro­the­sen­trä­ger hat die­se vier Funk­tio­nen in ihrer Gän­ze nicht zur Ver­fü­gung, da er eine so kom­pli­zier­te und über die Gelen­ke des Bei­nes ver­ket­te­te Mus­kel­kon­trak­ti­on nicht aus­füh­ren kann. Knö­chel- und Knie­ge­lenk sind gar nicht ansteu­er­bar, das Hüft­ge­lenk abhän­gig vom Mus­kel­sta­tus des Stump­fes nur sehr bedingt.

Um spä­ter ver­deut­li­chen zu kön­nen, wie sehr sich das Gehen auf der Trep­pe vom Gang in der Ebe­ne unter­schei­det, soll­te man sich den Gang­zy­klus der Ebe­ne ² vor Augen füh­ren. Die­ser ist gekenn­zeich­net durch die fol­gen­den acht Pha­sen (Abb. 1):

1. Initia­ler Kon­takt (Fer­sen­kon­takt)
2. Stoß­dämp­fungs­pha­se
3. Mitt­le­re Standphase
4. Ter­mi­na­le Standphase
5. Vor­schwung­pha­se (Zehen­ab­lö­sung)
6. Initia­le Schwungphase
7. Mitt­le­re Schwungphase
8. Ter­mi­na­le Schwungphase

Um einen Ver­gleich von Lau­fen auf der Ebe­ne und Lau­fen auf der Trep­pe zie­hen zu kön­nen, ist die Stand­pha­se von beson­de­rem Inter­es­se. Auf der Trep­pe ist näm­lich die Stand­pha­se der Teil des Gang­zy­klus, der dem Betrach­ter und dem Anwen­der als sicher­heits­re­le­vant am wich­tigs­ten erscheint.

Die Abroll­be­we­gung des Fußes in der Ebe­ne wäh­rend der Stand­pha­se beginnt an der Fer­se und endet bei den Zehen mit der Zehen­ab­lö­sung. Auf der Trep­pe wer­den wir fest­stel­len, dass sich eine ande­re Abfol­ge ergibt.

Trep­pen­ge­hen ist die Aus­nah­me­si­tua­ti­on des Gehens

Trep­pen­ge­hen stellt für die unte­re Extre­mi­tät eine deut­lich höhe­re Belas­tung dar als das Gehen in der Ebe­ne. Das Hüft­ge­lenk wird auf der Trep­pe beim Hin­auf- und beim Hin­ab­ge­hen um bis zu 300 % mehr belas­tet als beim Gehen in der Ebe­ne, beim Hin­set­zen, Auf­ste­hen oder sogar bei Knie­beu­gen ³.

Das Knie­ge­lenk wird beim Trepp­ab­ge­hen bis zum 3,5‑Fachen des Kör­per­ge­wich­tes belas­tet ⁴. Der ober­schen­kel­am­pu­tier­te Pro­the­sen­trä­ger steht dabei vor einer noch grö­ße­ren Her­aus­for­de­rung. Er kann eine sol­che Belas­tung nicht mehr erfüh­len, dämp­fen oder durch kom­pen­sa­to­ri­sche Bewe­gun­gen aus­glei­chen. Die­se Auf­ga­be muss das Pro­the­sen­ge­lenk über­neh­men. Doch kann es das über­haupt? Die moder­ne Pro­the­tik hat dar­auf mitt­ler­wei­le eine Viel­zahl von Ant­wor­ten gefun­den; wir spre­chen dabei vom „alter­nie­ren­den Trep­pen­ge­hen”, das heißt, das Bein mit der Pro­the­se wird nicht Stu­fe für Stu­fe “nach­ge­zo­gen”, son­dern bei­de Bei­ne bewäl­ti­gen die Stu­fen im Wech­sel. Mit dem ent­spre­chen­den Trai­ning kön­nen Pro­the­sen­an­wen­der dies erreichen.

Gang­zy­klus Trep­pe hinunter

Zunächst neh­men wir den Gang­zy­klus beim Trepp­ab­ge­hen in den Blick. Natür­lich sind wir unter nor­ma­len Umstän­den in der Lage, eine Trep­pe hin­un­ter­zu­ge­hen, ohne vor­her vie­le Über­le­gun­gen anzu­stel­len. Den­noch schau­en wir uns eine unbe­kann­te Trep­pe zuerst von oben an, bevor wir hin­un­ter­ge­hen. Ein Pro­the­sen­trä­ger tut dies sehr bewusst, um Tie­fe, Brei­te und Anzahl der Stu­fen ein­schät­zen zu kön­nen. Man kann daher von einer Schrit­t­ein­lei­tung spre­chen. Auch wenn sie streng genom­men nicht zum Gang­zy­klus gehört, hat die Schrit­t­ein­lei­tung ihren Platz in die­sem Zyklus. Die fol­gen­den Pha­sen des Trep­pen­gang­zy­klus tref­fen sicher nicht auf jeden Fuß­gän­ger zu, las­sen sich aber bei der Mehr­zahl der Per­so­nen wie folgt beschrei­ben (Abb. 2a – g):

1. Schrit­t­ein­lei­tung
2. Fer­sen­ab­lö­sung
3. Zehen­ab­lö­sung
4. Vor­schwung
5. Initia­le Lastübernahme
6. Mitt­le­re Standphase
7. Ter­mi­na­le Standphase

Nach der ter­mi­na­len Stand­pha­se beginnt der Zyklus wie­der mit der Fer­sen­ab­lö­sung. Wir beob­ach­ten hier also kei­ne 8 Pha­sen mehr wie beim Gang­zy­klus in der Ebe­ne, son­dern nur noch 6.

In vie­len Ele­men­ten unter­schei­det sich der Trep­pen­zy­klus vom Gang­zy­klus in der Ebe­ne. Beson­ders fällt der initia­le Kon­takt nach der Schwung­pha­se auf: Auf der Trep­pe fin­det die initia­le Last­über­nah­me nicht mit der Fer­se statt, son­dern mit dem Vor­fuß. Der genaue Kon­takt­punkt am Fuß hängt zudem mit der Tie­fe und Brei­te der Stu­fe zusam­men. Je schma­ler die Stu­fe, umso mehr wird der Kon­takt­punkt im vor­de­ren Zehen­be­reich lie­gen, denn des­to grö­ßer muss die Plant­ar­fle­xi­on sein.

Trep­pe hin­un­ter mit Beinprothese

Was für eine nicht­am­pu­tier­te Per­son also schon eine gang­tech­ni­sche Aus­nah­me­si­tua­ti­on ist, bedeu­tet für den Pro­the­sen­trä­ger eine deut­lich höhe­re Her­aus­for­de­rung. Der oben gezeig­te Gang­zy­klus auf der Trep­pe trifft näm­lich für den Pro­the­sen­trä­ger nicht zu. Bei ihm ent­steht ein ganz ande­rer Gang­rhyth­mus (Abb. 3a – f).

Der Zyklus beginnt mit zwei Vor­pha­sen. Die ers­te und durch­aus wich­ti­ge Vor­pha­se ist auch hier die Schrit­t­ein­lei­tung (a). Der Anwen­der schätzt dabei die Trep­pe ein und posi­tio­niert sich und die Pro­the­se, um den Abstieg begin­nen zu kön­nen. Die zwei­te Vor­pha­se ist die Fuß­ab­lö­sung (b). Dies sind Vor­pha­sen, da sie im Lau­fe des Abstiegs auf dem Trep­pen­seg­ment nur zu Beginn vor­kom­men. Sie kön­nen auch als vor­be­rei­ten­de Schrit­te bezeich­net wer­den. Die stets wie­der­keh­ren­den Pha­sen sind die drei fol­gen­den: Vor­schwung (1) des Pro­the­sen­fu­ßes, Last­über­nah­me (2) im Fer­sen­be­reich, Über­roll­pha­se (3) des Fußes über die Trep­pen­stu­fen­kan­te. Danach beginnt der Zyklus von vor­ne. Nach der Über­roll­pha­se muss der Fuß wie­der in den Vor­schwung gebracht wer­den, um danach wie­der im Fer­sen­be­reich die Kör­per­last zu übernehmen.

Der Gang­zy­klus des Pro­the­sen­trä­gers auf der Trep­pe besteht also nur noch aus 3 immer wie­der­keh­ren­den Pha­sen. Es ist somit ein sehr ver­kürz­ter Zyklus im Gegen­satz zum nicht­am­pu­tier­ten Trep­pen­ge­her. Man kann zwar auch hier­bei von einem alter­nie­ren­den Trepp­ab­ge­hen spre­chen, aber phy­sio­lo­gisch ist es des­we­gen nicht. Der Zyklus im Überblick:

1. Schrit­t­ein­lei­tung
2. Fer­sen­ab­lö­sung

1. Vor­schwung
2. Last­über­nah­me
3. Über­roll­pha­se

Dann wie­der 1. Vor­schwung usw.

Der größ­te Unter­schied, der auch im Pra­xis­ver­hal­ten und im Anwen­der­trai­ning durch den Tech­ni­ker ver­mit­telt wer­den muss, ist sicher­lich die Last­über­nah­me. Der Pro­the­sen­trä­ger muss näm­lich gezielt mit der Fer­se bzw. mit dem letz­ten Drit­tel des Fußes auf­tre­ten, um die Über­roll­pha­se über den Schwer­punkt hin­weg aus­lö­sen zu können.

Was muss ein Pro­the­senknie­ge­lenk leisten?

Im Fol­gen­den wird auf die Leis­tungs­fä­hig­keit des Knie­ge­len­kes ein­ge­gan­gen, indem zunächst die mus­ku­lä­ren Reak­tio­nen in den Momen­ten betrach­tet wer­den, in denen das Knie­ge­lenk zum siche­ren und dyna­mi­schen Trepp­ab­ge­hen sei­ne Funk­tio­nen unter Beweis stel­len muss. Wel­che Haupt­mus­keln wer­den in wel­cher Bewe­gungs­pha­se beim nicht­am­pu­tier­ten Geher eingesetzt?

Initia­le Lastübernahme

(sie­he Abb. 2e)

M. tibia­lis ante­rior (Dor­sal­ex­ten­si­on)
M. glutaeus max. (Hüf­tex­ten­si­on)
M. quad­ri­ceps (Fle­xi­ons­kon­trol­le, Fle­xi­ons­mo­ment Knie)

Mitt­le­re und ter­mi­na­le Standphase

(sie­he Abb. 2f u. g)

M. quad­ri­ceps (gestei­ger­tes Fle­xi­ons­mo­ment Knie)

Die Kon­trak­ti­on der Mus­ku­la­tur kon­trol­liert und sichert das Gleich­ge­wicht. Der Kör­per wird jeder­zeit in sei­nem Schwe­re­lot gehal­ten. Es gibt, auch beim Trepp­ab­ge­hen, kei­nen Moment, in dem der Geher gezwun­gen ist, den Sicher­heits­be­reich sei­ner Unter­stüt­zungs­flä­che zu ver­las­sen. Wenn der Vor­wärts­schritt auf die nächs­te Stu­fe nach unten erfolgt, ist jeder­zeit der Aus­gleich durch Mus­kel­kon­trak­ti­on vor­ge­se­hen und unter phy­sio­lo­gi­schen Umstän­den durchführbar.

Die­se umfang­rei­che Mus­kel­ak­ti­vi­tät ist dem Ober­schen­kel­am­pu­tier­ten nicht mög­lich, da die knie- und fuß­über­grei­fen­de Mus­ku­la­tur nicht vor­han­den ist. Das Pro­the­senknie­ge­lenk muss die­se sicher­heits­re­le­van­te Auf­ga­be über­neh­men. Hier wird die Wich­tig­keit der Knie­ge­lenks­funk­ti­on bereits deutlich.

Wel­che Haupt­mus­keln müs­sen in wel­cher Bewe­gungs­pha­se beim ampu­tier­ten Gehen ein­ge­setzt werden?

Last­über­nah­me

(sie­he Abb. 3d)

M. glutaeus max. (Hüf­tex­ten­si­on) kein knie­über­grei­fen­der M. quad­ri­ceps (Fle­xi­ons­mo­ment Knie)

Über­roll­pha­se

(sie­he Abb. 3e)

M. glutaeus max. (Hüf­tex­ten­si­on) kein knie­über­grei­fen­der M. quad­ri­ceps (gestei­ger­tes Fle­xi­ons­mo­ment Knie)

Unter Berück­sich­ti­gung von Sicher­heit und Dyna­mik steht in die­sen bei­den Pha­sen das Knie­ge­lenk in sei­ner Funk­ti­ons­wei­se am stärks­ten im Fokus. Dem Pro­the­sen­trä­ger fehlt die ent­spre­chen­de Mus­ku­la­tur, um den Kör­per kon­trol­liert auf die nächs­te Stu­fe her­ab­sin­ken zu lassen.

Anhand der Abbil­dung 4 wird deut­lich, dass der Pro­the­sen­trä­ger, um die Trep­pe mit Pro­the­se dyna­misch hin­ab­zu­stei­gen, eine ande­re Stra­te­gie anwen­den muss. Er muss das Knie­ge­lenk als „Fle­xi­ons­kon­troll­werk­zeug” benut­zen und dafür auf jeder Stu­fe in Stel­lung brin­gen. Dies tut das Knie­ge­lenk, auch wenn es elek­tro­nisch gesteu­ert ist, nicht von allein. Der Anwen­der muss fähig sein, die Pro­the­se zu beherr­schen und gezielt ein­zu­set­zen. Wenn er also die Trep­pe bewäl­ti­gen will, muss er die eigent­lich so gefürch­te­te Knief­le­xi­on in einem für ihn nicht mehr siche­ren Bereich selbst erzeu­gen. Dies erfor­dert Übung und viel Ver­trau­en in ein tech­ni­sches Gerät.

Die Schwe­re­li­nie des Anwen­ders befin­det sich im Moment der Last­über­nah­me mit der Fer­se des Pro­the­sen­fu­ßes nicht mehr im Unter­stüt­zungs­be­reich. Im Moment der Last­über­nah­me wäre eigent­lich die Mus­kel­kon­trak­ti­on not­wen­dig, um die Knief­le­xi­on zu brem­sen bzw. zu kon­trol­lie­ren. Dafür ist nun das Pro­the­senknie­ge­lenk zustän­dig, wie Abbil­dung 4 zeigt.

Ein Pro­the­sen­ge­lenk, das zum alter­nie­ren­den Trepp­ab­ge­hen ver­wen­det wer­den kann, muss somit fol­gen­de fünf Grund­vor­aus­set­zun­gen erfüllen:

1. Fle­xi­ons­kon­trol­le = ein­stell­ba­re oder auto­ad­ap­ti­ve Standphasendämpfung
2. Schwung­pha­sen­kon­trol­le
3. schnel­le Reaktionszeiten
4. Ver­läss­lich­keit für den Anwender
5. Nut­zer­freund­lich­keit für den Anwender

Was muss der Pro­the­sen­schaft leisten?

Für einen Pro­the­sen­trä­ger sind beim Über­win­den von All­tags­hin­der­nis­sen wie im Fall einer Trep­pe die Form des Pro­the­sen­schaf­tes, die Stumpf­län­ge und der Mus­kel­sta­tus des Anwen­ders wesent­lich. Bei den in die­sem Arti­kel beschrie­be­nen Beob­ach­tun­gen eines Pro­the­sen­an­wen­ders han­delt es sich um einen knie­ex­ar­ti­ku­lier­ten Anwen­der mit einem Geni­um-Knie­ge­lenk und einem Fuß­pass­teil Tri­ton Low Pro­fi­le, bei­des von Otto Bock.

Für den knie­ex­ar­ti­ku­lier­ten Anwen­der sind gute Hebel­ver­hält­nis­se durch einen lan­gen Stumpf, ein guter Mus­kel­sta­tus und die Trag­fä­hig­keit des Stump­fen­des auch auf der Trep­pe von Vor­teil. Durch das trag­fä­hi­ge Stump­fen­de erlebt er, auch pro­prio­zep­tiv, das Auf­tre­ten und die erhöh­te Belas­tung beim Über­win­den von Trep­pen viel direk­ter als ein trans­fe­mo­ral ampu­tier­ter Anwender.

Bei einem trans­fe­mo­ral ampu­tier­ten Anwen­der soll­te ein Schaft ein­ge­setzt wer­den, der nach dem hydro­sta­ti­schen Prin­zip das Anwen­der­ge­wicht per Voll­kon­takt tra­gen kann. Das Gewicht wird also vom gan­zen Stumpf über­nom­men. Dadurch fällt die Gewichts­über­tra­gung von der Boden­re­ak­ti­ons­kraft über den Schaft auf den Stumpf anders aus als bei einer Knie­ex­ar­ti­ku­la­ti­on, bei der ein direk­ter Kon­takt der dista­len Gelenk­flä­che der Femur­kon­dylen mit dem Schaft­bo­den besteht.

Je kür­zer der Stumpf ist, des­to weni­ger Hebel­län­ge steht dem Anwen­der zur Ver­fü­gung und des­to weni­ger kann der vor­han­de­ne Mus­kel­sta­tus genutzt wer­den. Die Schaft­form kann bei trans­fe­mo­ral ampu­tier­ten Pati­en­ten für das Bewäl­ti­gen von Hin­der­nis­sen ent­schei­dend sein, wenn die ana­to­mi­schen Gege­ben­hei­ten nicht aus­rei­chend berück­sich­tigt sind und kei­ne aus­rei­chen­de Über­nah­me des Kör­per­ge­wichts durch den Schaft gewähr­leis­tet wird. Der Anwen­der ist beim Hin­ab­stei­gen der Trep­pe dar­auf ange­wie­sen, da er einen nicht pas­sen­den Schaft durch schnel­le Belas­tungs­rück­nah­me auf das gesun­de Bein nur schwer kom­pen­sie­ren könn­te. Um die Trep­pe unter den oben beschrie­be­nen Sicher­heits­aspek­ten hin­un­ter­ge­hen zu kön­nen, muss er die Pro­the­se in den Belas­tungs­pha­sen voll belas­ten kön­nen. Das Glei­che gilt für die Haf­tung des Schaf­tes bei den Ent­las­tungs­pha­sen des Trep­pen­zy­klus. Wenn die Pro­the­se nicht genü­gend haf­tet und eine Hub­be­we­gung beim Ent­las­ten der Pro­the­se auf­tritt, ist die Ein­lei­tung der Stand- und Belas­tungs­pha­sen nur mit gro­ßem Unsi­cher­heits­ge­fühl oder gar nicht mög­lich. Dann wäre das alter­nie­ren­de Trepp­ab­ge­hen trotz eines mikro­pro­zes­sor­ge­steu­er­ten Knie­ge­lenks nicht durchführbar.

Fazit

In der Ebe­ne kann eine Ober­schen­kel­pro­the­se die Phy­sio­lo­gie des Gehens sehr gut nach­bil­den. Beim Hin­un­ter­ge­hen einer Trep­pe ist das nicht der Fall. „Alter­nie­rend” darf nicht mit „phy­sio­lo­gisch” ver­wech­selt wer­den. Der Zyklus, der auf der Trep­pe ent­steht, ist grund­sätz­lich anders als bei einem zwei­bei­ni­gen Geher und mit einem Pro­the­senknie­ge­lenk nicht in sei­ner Gän­ze nachzuahmen.

Um ein phy­sio­lo­gi­sche­res Gehen zu erzie­len, ist aber nicht nur das Knie­ge­lenk ein hin­der­li­cher Fak­tor, son­dern auch das Fuß­pass­teil. Die Fuß­pass­tei­le sind nicht in der Lage, die initia­le Last­über­nah­me mit dem Vor­fuß auf­zu­fan­gen, son­dern bedür­fen immer der Posi­tio­nie­rung des Fußes im hin­te­ren Drit­tel, um die Über­roll­pha­se über­haupt ein­lei­ten zu kön­nen. Wenn dies nicht geschieht, ist der Vor­fuß­he­bel zu groß, und das Knie­ge­lenk kann nicht in die Stand­pha­sen­dämp­fung bzw. Fle­xi­on gebracht werden.

Her­vor­zu­he­ben ist für den Pro­the­sen­an­wen­der, den Tech­ni­ker und auch den Kos­ten­trä­ger sicher­lich die beson­de­re Bedeu­tung der Bewäl­ti­gung von Trep­pen. Die Trep­pe ist bei mikro­pro­zes­sor­ge­steu­er­ten Knie­ge­len­ken meis­tens das Maß der Din­ge für den Kos­ten­trä­ger. Eine Trep­pe alter­nie­rend hin­auf- oder hin­ab­ge­hen zu kön­nen ist für den Pro­the­sen­trä­ger ein sehr gro­ßer Gewinn an Lebens­qua­li­tät. In der Ent­schei­dungs­fin­dung, ob für einen Ober­schen­kel­am­pu­tier­ten ein hoch­prei­si­ges Knie­ge­lenk­sys­tem von Nut­zen ist, spielt das Lau­fen auf der Trep­pe eine Schlüsselrolle.

Der Autor:
Maik Poll­mey­er
Ortho­pä­die-Tech­nik Münsterland
Bült­zings­lö­wen GmbH, Duisburg
Fug­ger­stra­ße 15
48165 Müns­ter
maik.pollmeyer@otmuensterland.de

Begut­ach­te­ter Beitrag/Reviewed paper

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