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

H. Trebbin, T. Bryant, St. Zhao, E. Perfect, M. Freyer, J. Weigel
Die moderne Technik hat die Verbesserung der Leistungsfähigkeit von Prothesenfüßen durch eine aktive computergestützte Steuerung ermöglicht. Jüngere biomechanische Studien haben jedoch gezeigt, dass auch passive Prothesenfußsysteme das Potenzial haben, sich der Effizienz des natürlichen Fußes anzunähern, wenn Zeitpunkt und Umfang der Energierückgabe optimiert werden. Der Niagara-Fuß bietet einen einzigartigen Ansatz für eine Versorgung, die durch  Modifikationen der Struktur des Prothesenfußes durch den Orthopädietechniker an die Bedürfnisse des Benutzers angepasst werden kann. Diese Abstimmung ermöglicht ein passives Energiemanagement zur Steuerung des Zeitpunkts und des Umfangs der mechanischen Reaktion des Systems während der Standphase des Gangs.

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 6789. 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 10. 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 11. 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 12.

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 13gewon­nen 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 1415. 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 1617. 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

Treb­bin H,  Bryant T, Zhao St, Per­fect E, Frey­er M, Weigel J. Design und Eva­lu­ie­rung des „kon­trol­lier­ten pas­si­ven Ener­gie­ma­nage­ments“ des Nia­ga­ra-Fußes. Ortho­pä­die Tech­nik, 2020; 71 (5): S. 78 — 82 

 

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