Design und Eva­lu­ie­rung des „kon­trol­lier­ten pas­si­ven Ener­gie­ma­nage­ments“ des Niagara-Fußes

Ein­lei­tung

Die moder­ne Pro­the­sen­fuß­tech­nik bezieht Hoch­leis­tungs­werk­stof­fe, Mikro­pro­zes­so­ren und Akto­ren ins Design ein. Die­se haben die Leis­tungs­fä­hig­keit von Pro­the­sen­fü­ßen stark ver­bes­sert, was sich vor allem beim Ein­satz unter kom­ple­xen Bedin­gun­gen vor­teil­haft zeigt ¹. Qua­li­ta­tiv hoch­wer­ti­ge Pass­tei­le sind jedoch welt­weit – ins­be­son­de­re in Ent­wick­lungs­län­dern – für vie­le Pro­the­sen­nut­zer gar nicht ver­füg­bar; die­se sind häu­fig mit unge­eig­ne­ten oder gar kei­ner Pro­the­se ver­sorgt ². Dabei ist es wich­tig, dass Pro­the­sen neben der Erfül­lung der Mobi­li­täts­be­dürf­nis­se auch die Teil­nah­me an den sons­ti­gen Akti­vi­tä­ten des täg­li­chen Lebens ermög­li­chen ³. Als Ant­wort auf die­se Nach­fra­ge wur­den welt­weit gro­ße Anstren­gun­gen unter­nom­men, bio­me­cha­nisch geeig­ne­te Füße spe­zi­ell für schwie­ri­ges Gelän­de und die sehr unter­schied­li­chen kul­tu­rel­len und phy­si­schen Bedin­gun­gen der Nut­zer in Ent­wick­lungs­län­dern zu ent­wi­ckeln. Jüngs­te bio­me­cha­ni­sche Stu­di­en haben gezeigt, dass pas­si­ve Pro­the­sen­fü­ße das Poten­zi­al haben, sich der Ener­gie­ef­fi­zi­enz des natür­li­chen Fußes anzu­nä­hern ⁴⁵. Aller­dings ist ein Ver­gleich der Ener­gie­rück­ga­be eines Pro­the­sen­fu­ßes mit einem natür­li­chen Fuß nicht aus­rei­chend, wes­halb For­scher vor­ge­schla­gen haben, dass der Zeit­punkt der Ener­gie­rück­ga­be eben­so wich­tig sein könn­te wie die rei­ne Kraft ⁴⁶⁷⁸. Das Pro­the­sen­fuß-Kon­zept „Nia­ga­ra“ wur­de von Rob Gabou­rie, Grün­der des kana­di­schen Unter­neh­mens Nia­ga­ra Pro­sthe­tics & Ortho­tics Cor­po­ra­ti­on, als lang­le­bi­ges Hoch­leis­tungs­ge­rät ent­wi­ckelt. Es han­delt sich um einen erschwing­li­chen Pro­the­sen­fuß, der ursprüng­lich im Auf­trag des Cana­di­an Cent­re for Mine Action Tech­no­lo­gies für die Bedürf­nis­se von Land­mi­nen­op­fern ent­wor­fen wur­de. Der Pro­the­sen­fuß beruht auf einem pas­si­ven Ener­gie­ma­nage­ment, um den Zeit­punkt und das Aus­maß der mecha­ni­schen Reak­ti­on des Sys­tems zu steu­ern. Es han­delt sich um einen ein­zig­ar­ti­gen Fuß, der indi­vi­du­ell an das Gewicht und an die Mobi­li­tät sei­nes Trä­gers ange­passt wer­den kann und der für ein brei­tes Anwen­der­spek­trum geeig­net ist. Der Arti­kel lie­fert eine kur­ze Zusam­men­fas­sung der Kon­struk­ti­ons­prin­zi­pi­en und berich­tet  über ein­schlä­gi­ge wis­sen­schaft­li­che Stu­di­en sowie kli­ni­sche Erfah­run­gen mit dem Niagara-Fuß.

Desi­gn­über­sicht

Die Grund­kon­struk­ti­on des Nia­ga­ra-Fußes besteht aus einem Kiel und einer Fuß­kos­me­tik, die als modu­la­res Sys­tem mit­ein­an­der ver­bun­den sind. Die Anschluss­bau­grup­pe besteht aus einem Pyra­mi­de­n­ad­ap­ter, einer Unter­leg­schei­be und einer Schrau­be sowie einem Druck­be­gren­zer. Der Kiel besteht aus dem Elas­to­mer Hyt­rel® (DuPont, Inc., Wilm­ing­ton, Dela­ware, USA) und ist ein ein­tei­li­ges Spritz­guss­teil, das so modi­fi­ziert wer­den kann, dass es die spe­zi­fi­schen mecha­ni­schen Stei­fig­keits­an­for­de­run­gen eines brei­ten Anwen­der­spek­trums erfüllt. Der Nia­ga­ra-Fuß­kiel, der in Abbil­dung 1 dar­ge­stellt ist, besteht aus fünf Haupt­ele­men­ten: der obe­ren Plat­te, der C- Feder, den Hör­nern, der Fer­sen­fe­der und der Vor­fuß­blatt­fe­der ⁹. Wäh­rend des Gehens inter­agie­ren die­se Ele­men­te in einer Wei­se, dass das Hytrel®-Elastomer an ver­schie­de­nen Punk­ten des Belas­tungs­zy­klus Ener­gie spei­chert und wie­der frei­setzt. Zusam­men wer­den die­se Ele­men­te als „CPEM“ (Con­trol­led Pas­si­ve Ener­gy­Ma­nage­ment) bezeich­net, da sie gemein­sam den Zeit­punkt der Ener­gie­spei­che­rung steu­ern. Die  CPEM­Kon­struk­ti­on kom­bi­niert die Ener­gie­rück­ga­be der beim Fer­sen­auf­tritt ein­ge­lei­te­ten Kräf­te, indem sich zuerst die Fer­sen­fe­der und zeit­ver­setzt die C‑Feder ent­spannt. Die­sen Trans­fer­ef­fekt von der frü­hen auf die spä­te mitt­le­re Stand­pha­se beschrei­ben Anwen­der sub­jek­tiv als „run­des und har­mo­ni­sches Abrol­len“. Dage­gen zie­len ande­re typisch dyna­mi­sche, ener­gie­rück­ge­ben­de Kon­struk­tio­nen dar­auf ab, die ein­ge­lei­te­te Kraft punk­tu­ell bei Ent­las­tung der Fer­se wie­der abzugeben.

Funk­ti­ons­prin­zi­pi­en

Die Wir­kung des Nia­ga­ra-Fußes und das Kon­zept des CPEM kön­nen im Hin­blick auf den Gang­zy­klus wie in Abbil­dung 2 dar­ge­stellt beschrie­ben werden:

• Stu­fe 1: Wenn beim Fer­sen­auf­tritt eine Kraft ange­wen­det wird, ver­formt sich die Fer­se nach oben. Der Fuß plant­ar­flek­tiert rela­tiv zur obe­ren Plat­te, und die C‑Feder öff­net sich.
• Stu­fe 2: In der frü­hen mitt­le­ren Stand­pha­se keh­ren Fer­se und C- Feder in ihre Aus­gangs­po­si­ti­on zurück. Dies führt zu einem Rück­stell­mo­ment, das den Pylon aus einem hin­te­ren Win­kel in die Ver­ti­ka­le antreibt. Zu die­sem Zeit­punkt schließt sich die CPEM-Lücke und unter­stützt die mitt­le­re Stand­pha­se, in der Fer­se und Zehen zusam­men belas­tet werden.
• Stu­fe 3: Mit fort­schrei­ten­der Bewe­gung schließt sich die C‑Feder wei­ter über ihre neu­tra­le Posi­ti­on hin­aus, und beim Ent­las­ten der Fer­se wer­den die Zehen immer mehr belas­tet. Es kommt zu einem Gleit­vor­gang, bei dem die CPEM-Hörn­chen nach hin­ten gleiten.
• Stu­fe 4: In der ter­mi­na­len Stand­pha­se wird die C‑Feder in ihrer vor­de­ren Posi­ti­on gehal­ten, bis die Ver­rin­ge­rung der Boden­re­ak­ti­ons­kraft ein Glei­ten der Hör­ner nach vorn ermög­licht, wodurch die Zehen zu ent­las­ten begin­nen. Der CPEM-Spalt öff­net sich beim Ent­las­ten der Zehen.

Optio­nen zur Modifikation

Es gibt drei Arten von Modi­fi­ka­tio­nen, die am Nia­ga­ra-Fuß vor­ge­nom­men wer­den kön­nen: Form­än­de­rung, Redu­zie­rung und Tei­lung des Kiels. Ziel die­ser Modi­fi­ka­tio­nen ist es, die mecha­ni­schen Eigen­schaf­ten des Kiels so zu ver­än­dern, dass der Nia­ga­ra- Fuß an die spe­zi­fi­schen Anfor­de­run­gen des Anwen­ders und des­sen Gelän­de­spek­trum ange­passt wer­den kann. Dazu im Einzelnen:

Form­än­de­rung

Die Fer­sen- und Zehen­be­rei­che des Nia­ga­ra-Fußes kön­nen für rechts oder links und an eine Rei­he von Grö­ßen ange­passt wer­den, indem er nach den indi­vi­du­el­len Vor­ga­ben des Anwen­ders abge­schlif­fen wird.

Reduk­ti­on

An der Fer­se, an der C‑Feder und am Vor­fuß kön­nen Modi­fi­ka­tio­nen zur Redu­zie­rung der Stei­fig­keit vor­ge­nom­men wer­den, um den Fuß an die Gewichts- und Akti­vi­täts­an­for­de­run­gen indi­vi­du­ell anzu­pas­sen. Die ori­gi­na­le Kiel­form umfasst drei Berei­che mit Mate­ri­al­schich­ten, die ent­fernt wer­den kön­nen (Abb. 3). Die­se Modi­fi­ka­tio­nen beinhal­ten die Ent­fer­nung die­ses Mate­ri­als, um die mecha­ni­schen Eigen­schaf­ten des Fußes zu ver­än­dern, was erheb­li­che Ände­run­gen der Stei­fig­keit und der Ener­gie­spei­che­rung sowie Ände­run­gen der maxi­ma­len Aus­len­kung bewir­ken kann ¹⁰. Die Rip­pen der Schich­ten die­nen als Richt­li­nie, um die Modi­fi­ka­ti­on zu kon­trol­lie­ren. Die­se erhöh­ten Rip­pen zei­gen zwei Reduk­ti­ons­stu­fen für die Fer­se und die C‑Feder sowie fünf Reduk­ti­ons­stu­fen für den Vor­fuß an (Abb. 4a–c).

Geteil­te Kiel-Modifikation

Sowohl die Fer­se als auch der Vor­fuß des Nia­ga­ra-Fuß­kiels kön­nen geteilt wer­den, um die Sicher­heit beim Gehen auf unebe­nem oder geneig­tem Gelän­de zu ver­bes­sern. Die­se Modi­fi­ka­ti­on ver­bes­sert die Sicher­heit und för­dert einen bes­se­ren Boden­kon­takt. Um die Fer­se und/oder den Vor­fuß zu spal­ten, wird ein Loch an einer bestimm­ten Stel­le gebohrt. Zum Spal­ten wer­den eine Band­sä­ge und eine oszil­lie­ren­de Säge ver­wen­det (Abb. 4d).

Fuß­kos­me­tik

Die ange­bo­te­ne Fuß­kos­me­tik wird von den Anwen­dern häu­fig aus kos­me­ti­schen Grün­den oder für die Benut­zung mit Schu­hen bevor­zugt. Jedoch ist eine Kos­me­tik für den Nia­ga­ra-Fuß nicht zwin­gend erfor­der­lich, denn im All­ge­mei­nen wir­ken sich kos­me­ti­sche Abde­ckun­gen nega­tiv auf die Effi­zi­enz von Pro­the­sen­fü­ßen aus, indem sie die Ener­gie­rück­ga­be ver­rin­gern. Low und Kol­le­gen haben eine Stu­die durch­ge­führt, in der die Wir­kung meh­re­rer im Han­del erhält­li­cher Kos­me­ti­ken auf Stei­fig­keit und Ener­gie­rück­ga­be des Nia­ga­ra-Fußes unter­sucht wur­de. Die Ergeb­nis­se des Test­pro­to­kolls zeig­ten unter­schied­li­che Aus­wir­kun­gen auf die Fer­sen- und Zehen­ver­la­ge­rung in Abhän­gig­keit von der getes­te­ten Kos­me­tik. Alle Fuß­ab­de­ckun­gen ver­ur­sach­ten jedoch eine leich­te   Abnah­me der pro­zen­tua­len Ener­gie­rück­ga­be an Fer­se und Zehen ¹¹.

Mecha­ni­sche Charakterisierung

Der Pro­zess der mecha­ni­schen Cha­rak­te­ri­sie­rung wird zur Ana­ly­se der mecha­ni­schen Eigen­schaf­ten des Nia­ga­ra-Fußes und zur Unter­su­chung der Aus­wir­kun­gen von Modi­fi­ka­tio­nen ver­wen­det. Wie in Abbil­dung 5 dar­ge­stellt, ist die mecha­ni­sche Cha­rak­te­ri­sie­rung ein stan­dar­di­sier­tes Ver­fah­ren, bei dem der Pro­the­sen­fuß axi­al belas­tet wird und die mecha­ni­schen Eigen­schaf­ten anhand von Kraft-Weg-Kur­ven gemes­sen wer­den, die bei spe­zi­fi­schen Belas­tun­gen und Schaftwinkeln
aus ISO 22675 ¹²gewon­nen wer­den. Gemes­sen wird die ver­ti­ka­le Aus­len­kung des Fußes als Funk­ti­on des Schaft­win­kels. Dies erzeugt eine Vor­her­sa­ge der Ver­for­mung als Funk­ti­on der pro­zen­tua­len Stand­zeit. Eine bei­spiel­haf­te Kraft-Aus­len­kungs-Kur­ve und ein Ver­schie­bungs­pro­fil sind in Abbil­dung 6 dar­ge­stellt. Die­se Aus­len­kungs­pro­fi­le wur­den ver­wen­det, um die Aus­wir­kung der Modi­fi­ka­ti­on zu doku­men­tie­ren und um die Kon­struk­ti­on mit ande­ren kom­mer­zi­ell erhält­li­chen Füßen zu ver­glei­chen ¹³¹⁴. Kli­ni­sche Erfah­run­gen Umfang­rei­che wis­sen­schaft­li­che und kli­ni­sche Stu­di­en haben die Grund­la­gen für die Ver­wen­dung des Nia­ga­ra- Fußes in der Pra­xis gelegt, der seit über zehn Jah­ren welt­weit zum Ein­satz kommt, wie in Abbil­dung 7 dar­ge­stellt ¹⁵¹⁶. In der Pra­xis hat sich gezeigt, dass nach dem sta­ti­schen Auf­bau der Pro­the­se eine dyna­mi­sche Anpro­be durch den Ortho­pä­die­tech­ni­ker vor­teil­haft ist, um den Nia­ga­ra-Fuß opti­mal an die indi­vi­du­el­len Bedürf­nis­se des Men­schen mit Ampu­ta­ti­on anzu­pas­sen. Dabei erwies es sich als vor­teil­haft, die stu­fen­wei­se Mate­ri­al­ab­tra­gung mit dem Anwen­der an einer Ram­pe zu tes­ten, da die grö­ße­ren Belas­tungs­win­kel ein bes­se­res Feed­back erge­ben. Mög­li­che Modi­fi­ka­ti­ons­be­rei­che am Pro­the­sen­fuß und deren Aus­wir­kung auf die ver­schie­de­nen Momen­te der Stand­pha­se sind in Abbil­dung 8 ver­ein­facht beschrieben:

• Um die Belas­tungs­re­ak­ti­on beim Fer­sen­auf­tritt wei­cher zu gestal­ten, kön­nen die Berei­che „A“ und „C“ des Fußes stu­fen­wei­se abge­schlif­fen werden.
• Um den Vor­fuß­wi­der­stand zu redu­zie­ren, kann der Bereich „B“ stu­fen­wei­se abge­schlif­fen werden.

Fazit

Der Nia­ga­ra-Fuß bie­tet durch die Mög­lich­keit der pati­en­ten­spe­zi­fi­schen Anpas­sung einen inter­es­san­ten und inno­va­ti­ven Ansatz. Ände­run­gen der Fer­sen- und der Vor­fuß­fe­der sowie der C‑Feder ermög­li­chen es dem Ortho­pä­die­tech­ni­ker, spe­zi­fi­sche Eigen­schaf­ten des Pro­the­sen­fu­ßes dyna­misch an den Gang des Nut­zers anzu­pas­sen. Die Lang­le­big­keit (bei einer durch­schnitt­li­chen Nut­zungs­zeit von 2 Jah­ren liegt die Scha­dens­ra­te bei weni­ger als 1 %), Robust­heit und   Leis­tungs­fä­hig­keit die­ses Pro­the­sen­fu­ßes machen ihn zu einer prak­ti­schen Opti­on für ein welt­weit brei­tes Anwenderspektrum.

Dank­sa­gung

Die Autoren wür­di­gen hier­mit die Inspi­ra­ti­on und die Unter­stüt­zung durch Rob Gabou­rie und das Unter­neh­men Nia­ga­ra Pro­sthe­tics & Ortho­tics Inter­na­tio­nal für das ursprüng­li­che Nia­ga­ra-Fuß­de­sign. Dar­über hin­aus bedan­ken sich die Autoren für die fort­ge­setz­te tech­ni­sche Unter­stüt­zung durch das Unter­neh­men DuPont.

Für die Autoren:
Heinz Treb­bin, M. Sc., OTM
Geschäfts­füh­rer
DOI ortho-inno­va­tiv GmbH
Indus­trie­str. 18c
87448 Wal­ten­ho­fen
trebbin@ortho-innovativ.com

Begut­ach­te­ter Beitrag/reviewed paper

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