Design und Leis­tungs­fä­hig­keit mikro­pro­zessor­ge­steu­er­ter Kniegelenke

J. Thiele, B. Westebbe, M. Bellmann, M. Kraft
In dieser Vergleichsstudie wurden die mikroprozessorgesteuerten Prothesenkniegelenke C-Leg, Orion, Plié2.0 und Rel-K im Ganglabor beim Gehen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten getestet. Es wurden die Unterstützung der Standphasenflexion, das Verhalten beim Einleiten der Schwungphase, das sichere und harmonische Durchschwingen sowie die Positioniergenauigkeit des Fußes vor dem Auftreten untersucht. Die ermittelten signifikanten Unterschiede in der Funktionsqualität der Gelenke konnten mit ihrem technischen Design in Zusammenhang gebracht werden, das mithilfe von Hochenergie-Computertomographien ermittelt wurde. Dabei zeigte sich, dass nicht alle Gelenke die Flexions- und Extensionswiderstände an die Erfordernisse unterschiedlicher Bewegungsabläufe anpassen können.

Ein­lei­tung

Mikro­pro­zessor­ge­steu­er­te Knie­ge­len­ke (MPK) haben durch ihre situa­ti­ons­ab­hän­gi­ge Anpas­sung der Bewe­gungs­wi­der­stän­de in Stand- und Schwung­pha­se einen fes­ten Platz in der pro­the­ti­schen Ver­sor­gung trans­fe­mo­ral Ampu­tier­ter. Jedoch kann die Mikro­pro­zes­sor­steue­rung allein kein Güte­sie­gel für ein hoch­wer­ti­ges Knie­ge­lenk sein. Erst die Kom­bi­na­ti­on aus kom­ple­xer Sen­so­rik, intel­li­gen­ten Algo­rith­men und leis­tungs­fä­hi­gen Aktua­to­ren bestimmt die Qua­li­tät eines Gelen­kes und hat direk­ten Ein­fluss auf Pati­en­ten­nut­zen 1 2 3 4 5 6 7 8 und Pati­en­ten­si­cher­heit 9 10 11 12 13 14 15 16. Bei den ver­schie­de­nen am Markt befind­li­chen Sys­te­men ergibt sich für den Ortho­pä­die-Tech­ni­ker zwangs­läu­fig die Fra­ge, wel­ches MPK für die indi­vi­du­el­len Anfor­de­run­gen eines Pati­en­ten am bes­ten geeig­net ist. In der vor­lie­gen­den Stu­die wur­den die vier MPK C‑Leg, Ori­on, Plié2.0 und Rel‑K unter­sucht, um einen Zusam­men­hang zwi­schen tech­ni­schem Design der Gelen­ke und ihrer Leis­tungs­fä­hig­keit im Gang­la­bor herzustellen.

Anzei­ge

Mate­ri­al und Methode

Es wur­den die Knie­ge­len­ke C‑Leg (Otto Bock Health­ca­re [a]), Ori­on (Chas A Blatch­ford and Sons [b]), Plié2.0 (Free­dom Inno­va­tions [c]) und Rel‑K (Riz­zo­li Orto­pe­dia [d]) in Kom­bi­na­ti­on mit einem 1C60 [a] Pro­the­sen­fuß und dem gewohn­ten Schaft in sitz­bein­um­grei­fen­dem Design verwendet.

Die Mes­sun­gen fan­den in einem Gang­la­bor mit einer instru­men­tier­ten, 12 m lan­gen Geh­stre­cke statt. Die Kine­ma­tik der Kör­per­seg­men­te wur­de mit einem opti­schen Gang­ana­ly­se­sys­tem (Vicon 460 [e]) erfasst. Die kine­ti­schen Daten wur­den mit zwei im Boden ein­ge­las­se­nen Kraft­mess­plat­ten (Kist­ler 9287A [f]) und simul­tan mit dem im Pro­the­sen­auf­bau inte­grier­ten Kraft- und Momen­ten­sen­sor Okta­pod [a] gemes­sen 17.

Drei uni­la­te­ral trans­fe­mo­ral ampu­tier­te männ­li­che Pro­ban­den nah­men an der Stu­die teil (Tab. 1). Alle Pro­ban­den nut­zen ein Geni­um MPK [a] im All­tag und hat­ten Erfah­rung mit den unter­such­ten Knie­ge­len­ken aus frü­he­ren Gang­la­bor­tests. Dadurch konn­te eine kur­ze Ein­ge­wöh­nungs­zeit rea­li­siert und zusätz­lich die Ver­gleich­bar­keit der Ergeb­nis­se sicher­ge­stellt werden.

Um die Unter­schie­de zwi­schen den MPK her­vor­zu­he­ben, erstell­te ein Ortho­pä­die-Tech­ni­ker mit­hil­fe des LASAR Assem­bly [a] iden­ti­sche Pro­the­sen­auf­bau­ten für jedes Knie­ge­lenk. Dabei wur­den die Vor­ga­ben der jewei­li­gen Her­stel­ler zum Auf­bau ein­ge­hal­ten. Dar­auf­hin folg­te die Opti­mie­rung des sta­ti­schen Auf­baus mit dem LASAR Pos­tu­re [a] nach Emp­feh­lun­gen von Otto Bock Health­ca­re (Tab. 2). Die Soft­ware­pa­ra­me­ter der Knie­ge­len­ke wur­den vom Ortho­pä­die-Tech­ni­ker anschlie­ßend nach Her­stel­ler­an­ga­ben indi­vi­du­ell ange­passt, um ein best­mög­li­ches Gehen bei allen Geschwin­dig­kei­ten zu gewähr­leis­ten. Dar­auf­hin konn­ten sich die Pro­ban­den wenigs­tens 30 Minu­ten an das Gehen mit der jewei­li­gen Pro­the­se gewöhnen.

Die Pro­ban­den absol­vier­ten mit jedem Knie­ge­lenk vier Ver­suchs­rei­hen mit 8 bis 10 Wie­der­ho­lun­gen. Dabei wur­den sie ange­wie­sen, in selbst­ge­wähl­ter mitt­le­rer, lang­sa­mer und schnel­ler Geschwin­dig­keit sowie in mitt­le­rer Geschwin­dig­keit mit bewuss­ter Stand­pha­sen­fle­xi­on zu gehen. In Tabel­le 3 sind die gemes­se­nen Geschwin­dig­kei­ten auf­ge­führt. Die Rei­hen­fol­ge der MPK wur­de randomisiert.

Für die kon­ti­nu­ier­lich auf­ge­zeich­ne­ten Daten des mobi­len Mess­sys­tems wur­den eine auto­ma­ti­sche Schrit­ter­ken­nung sowie ein auto­ma­ti­scher Schritt­fil­ter ver­wen­det. Dadurch konn­ten Abbrems- und Beschleu­ni­gungs­vor­gän­ge ent­fernt wer­den. Für jeden iden­ti­fi­zier­ten Schritt wur­den Para­me­ter für die sta­tis­ti­sche Aus­wer­tung bestimmt.

Die Hypo­the­sen­tes­tung für ein­zel­ne Para­me­ter erfolg­te bei einem Signi­fi­kanz­ni­veau von 5 % mit Kol­mo­go­rov-Smir­nov-Tests sowie mit mehr­fak­to­ri­el­len Vari­anz­ana­ly­sen (ANOVA) und Bon­fer­ro­ni-Kor­rek­tur im Post­hoc-Test 18.

Eine abschlie­ßen­de tech­ni­sche Ana­ly­se soll­te die im Gang­la­bor iden­ti­fi­zier­ten Dif­fe­ren­zen in der Leis­tungs­fä­hig­keit der MPK erklä­ren. Dazu wur­den Paten­te und die Anga­ben des Her­stel­lers wie Bedie­nungs­an­lei­tun­gen, Auf­bau­emp­feh­lun­gen und Wer­be­ma­te­ri­al aus­ge­wer­tet 19 20 21 22 23 24. Zum Abschluss wur­de mit einem für die Mate­ri­al­for­schung ent­wi­ckel­ten Com­pu­ter­to­mo­gra­phen ein 3‑D-Daten­satz jedes Knie­ge­lenks auf­ge­nom­men. Die Kom­bi­na­ti­on aus 450kV- Hoch­en­er­gie-Rönt­gen­röh­re und 1024×1024 Pixel-Flach­bild­de­tek­tor ermög­lich­te dabei eine Auf­lö­sung von 0,5 mm in allen Raumrichtungen.

Ergeb­nis­se im Ganglabor

Zeit-Distanz-Para­me­ter

Die drei selbst­ge­wähl­ten Geschwin­dig­kei­ten (lang­sam, mit­tel, schnell) unter­schie­den sich zwi­schen den Pro­ban­den und sind in Tabel­le 3 dar­ge­stellt. Alle Pro­ban­den ten­dier­ten dazu, am schnells­ten mit dem C‑Leg und am lang­sams­ten mit dem Rel‑K zu gehen. Dies wird auch in Abbil­dung 1 deut­lich, die den gewich­te­ten Mit­tel­wert und das Kon­fi­denz­in­ter­vall der Gang­ge­schwin­dig­keit für die ein­zel­nen Knie­ge­len­ke angibt. So fin­den sich jeweils signi­fi­kan­te Unter­schie­de zwi­schen Rel‑K und allen ande­ren Knie­ge­len­ken, da sich die Kon­fi­denz­in­ter­val­le nicht über­lap­pen. Zwi­schen C‑Leg und Plié2.0 sowie zwi­schen Ori­on und Plié2.0 besteht dem­entspre­chend kein signi­fi­kan­ter Unterschied.

Die Gang­sym­me­trie wur­de anhand der Stand­pha­sen­dau­er auf ampu­tier­ter und kon­tralate­ra­ler Sei­te bestimmt. Die Ver­kür­zung der Stand­pha­se auf der ampu­tier­ten Sei­te lag im Mit­tel bei 3,93 ± 9,74 % des Gang­zy­klus. Dabei konn­ten kei­ne signi­fi­kan­ten Unter­schie­de zwi­schen den Pro­ban­den und zwi­schen den Gelen­ken fest­ge­stellt werden.

Schwung­pha­se

In Abbil­dung 2 ist das Maxi­mum des Kniefle­xi­ons­win­kels über der Gang­ge­schwin­dig­keit für ampu­tier­te und kon­tralate­ra­le Sei­te dar­ge­stellt. Neben allen ein­zel­nen Wer­ten ist zusätz­lich die Regres­si­ons­ge­ra­de ein­ge­fügt. Der Anstieg des Knie­win­kel­ma­xi­mums mit der Gang­ge­schwin­dig­keit beträgt bei C‑Leg 3,5°/m/s, bei Plié2.0 28,1°/m/s, bei Ori­on 18,3°/m/s und bei Rel‑K 17°/m/s. Auf der kon­tralate­ra­len Sei­te ist der Anstieg mit allen MPK ähn­lich und beträgt im Mit­tel 6,2°/m/s. Das gerin­ge Bestimmt­heits­maß (R2 < 0,1) in Tabel­le 4 unter­streicht, dass ein star­ker Anstieg des Knie­win­kel­ma­xi­mums mit der Gang­ge­schwin­dig­keit unna­tür­lich ist. Beim C‑Leg konn­te also die bes­te Annä­he­rung an das Ver­hal­ten des natür­li­chen Vor­bilds erreicht werden.

In der ter­mi­na­len Schwung­pha­se muss die Knie­stre­ckung voll­stän­dig erfol­gen, um den Boden­kon­takt des Fußes vor­zu­be­rei­ten. Unab­hän­gig vom letzt­end­lich erreich­ten Gelenk­win­kel (Abb. 3) lässt sich am Streck­an­schlag ein Null­durch­gang in der Knie­win­kel­ge­schwin­dig­keit detek­tie­ren. Des­halb wur­den die Null­durch­gän­ge zwi­schen 80 und 100 % Gang­zy­klus gezählt und zu allen auf­ge­nom­me­nen Schrit­ten ins Ver­hält­nis gesetzt. Aus Tabel­le 5 lässt sich ent­neh­men, dass mit Plié2.0 und C‑Leg der Streck­an­schlag bei allen Geschwin­dig­kei­ten sicher erreicht wird. Im Gegen­satz dazu fin­den sich in der mitt­le­ren Geschwin­dig­keit bei Rel‑K und Ori­on häu­fi­ger unvoll­stän­di­ge Knie­stre­ckun­gen. Um die Aus­wir­kun­gen auf die Fuß­po­si­tio­nie­rung abzu­schät­zen, wur­de die Knie­win­kel­ge­schwin­dig­keit kurz vor dem Auf­tre­ten bestimmt und in Abbil­dung 4 dar­ge­stellt. Das Plié2.0 zeig­te hier die gerings­ten, teils nega­ti­ven Wer­te ohne signi­fi­kan­te Unter­schie­de zum C‑Leg. Signi­fi­kan­te Unter­schie­de bestehen zum Ori­on und zum Rel‑K. Das Rel‑K erzeug­te die höchs­te Knie­win­kel­ge­schwin­dig­keit vor dem Auftreten.

Stand­pha­sen­fle­xi­on

Die Ver­suchs­rei­he mit bewuss­ter Stand­pha­sen­fle­xi­on wur­de zur Bewer­tung der Stand­pha­sen­ex­ten­si­ons­dämp­fung her­an­ge­zo­gen. Eine har­mo­ni­sche Dämp­fung soll­te sich in einem gleich­mä­ßi­gen Knie­win­kel­ver­lauf wider­spie­geln (Abb. 5, links). Die­ser wird wie­der­um durch gerin­ge Knie­win­kel­be­schleu­ni­gun­gen ange­zeigt (Abb. 5, rechts), deren Mini­ma in Abbil­dung 6 aus­ge­wer­tet wur­den. C‑Leg (-2565 ± 1431°/s2) und Ori­on (-3149 ± 1014°/s2) zeig­ten die kleins­ten Wer­te und damit das gleich­mä­ßigs­te Dämp­fungs­ver­hal­ten. Im Ver­gleich zu Plié2.0 (-4347 ± 1181°/s2) und Rel‑K (-7042 ± 2200°/s2) konn­ten signi­fi­kan­te Unter­schie­de fest­ge­stellt wer­den. Wäh­rend der Ver­suchs­rei­hen mit dem Rel‑K führ­te die bewuss­te Stand­pha­sen­fle­xi­on jedes Mal dazu, dass die fol­gen­de Schwung­pha­se nicht ein­ge­lei­tet wer­den konn­te. Das Rel‑K blieb gestreckt und unter­brach damit die Fort­be­we­gung. Die Unter­schie­de zwi­schen den Mini­ma in Abbil­dung 5 und in der sta­tis­ti­schen Aus­wer­tung sind im Übri­gen durch die punkt­wei­se Berech­nung der Mit­tel­wert­kur­ven bedingt. Die­se ver­än­dert die Grö­ße der Maxi­ma und Mini­ma, die Kur­ven­cha­rak­te­ris­tik bleibt aber erhalten.

Ein­lei­tung der Schwungphase

Mit­hil­fe des exter­nen Hüft­mo­ments lässt sich die kör­per­li­che Bean­spru­chung zur Ein­lei­tung der Schwung­pha­se bewer­ten. Das auf­zu­brin­gen­de Hüft­mo­ment ist jedoch stark von der Gang­ge­schwin­dig­keit abhän­gig (R2 > 0,5 für alle MPK und Pro­ban­den), wes­halb im Fol­gen­den nur die mitt­le­re Geschwin­dig­keit betrach­tet wer­den soll. Um den­noch eine aus­rei­chen­de Anzahl an Schrit­ten zur Ver­fü­gung zu haben, wur­den die Daten des im Pro­the­sen­auf­bau inte­grier­ten Mess­sys­tems Okta­pod ver­wen­det. In Abbil­dung 7 ist das Mini­mum des not­wen­di­gen Hüft­mo­ments zur Schwung­pha­sen­ein­lei­tung dar­ge­stellt. Beim Plié2.0 zeig­ten sich die höchs­ten abso­lu­ten Wer­te (-95.2 ± 9.5 Nm). Danach fol­gen Ori­on (-93.8 ± 10.2 Nm), Rel‑K (-90.7 ± 12.5 Nm) und C‑Leg (-88.7 ± 4.7 Nm) mit signi­fi­kant gerin­ge­ren Werten.

Ergeb­nis­se der tech­ni­schen Analyse

Funk­ti­ons­prin­zip C‑Leg

Beim C‑Leg wird der Gelenk­wi­der­stand durch zwei mikro­pro­zessor­ge­steu­er­te ser­vo­hy­drau­li­sche Ven­ti­le erzeugt. So kann der Wider­stand stu­fen­los und unab­hän­gig für die Fle­xi­ons- und Exten­si­ons­rich­tung ein­ge­stellt und situa­ti­ons­ab­hän­gig ange­passt wer­den. In Abbil­dung 8 ist zu erken­nen, dass die Abwärts­be­we­gung des Kol­bens wäh­rend der Fle­xi­on einen Ölfluss (rot) von Kam­mer A über das ser­vo­hy­drau­li­sche Fle­xi­ons­ven­til 1 und das Rück­schlag­ven­til 4a ver­ur­sacht. Die Kol­ben­stan­ge ver­drängt außer­dem Öl, das in den Aus­gleichs­be­häl­ter gelangt und dort die Stahl­fe­der 3 kom­pri­miert. Wäh­rend der fol­gen­den Exten­si­ons­be­we­gung (blau) wird die dort gespei­cher­te Ener­gie wie­der abge­ge­ben. Die Auf­wärts­be­we­gung des Kol­bens führt wei­ter­hin zu einem Ölfluss über das ser­vo­hy­drau­li­sche Exten­si­ons­ven­til 2 und das Rück­schlag­ven­til 4b. Mit zuneh­men­der Exten­si­on wird der Zufluss des Strö­mungs­pfads 5 durch den Kol­ben ver­legt. Dadurch ergibt sich eine pro­gres­si­ve End­an­schlags­dämp­fung, die durch die Stahl­fe­der 7 unter­stützt wird. Das Über­druck­ven­til 8 ver­hin­dert die Über­las­tung des Knie­ge­lenks in Fle­xi­ons­rich­tung. Durch das Sicher­heits­ven­til 6 ist auch bei lee­rem Akku eine lang­sa­me Exten­si­on des Gelenks möglich.

Funk­ti­ons­prin­zip Plié2.0

Beim Plié2.0 wird der Gelenk­wi­der­stand durch ein mikro­pro­zessor­ge­steu­er­tes Nadel­ven­til (offen/geschlossen) und zwei manu­ell ein­stell­ba­re Ven­ti­le erzeugt. So kann für die Fle­xi­ons­rich­tung zwi­schen einem hohen Stand­pha­sen- und einem nied­ri­gen Schwung­pha­sen­wi­der­stand umge­schal­tet wer­den. Für die Exten­si­ons­rich­tung kann ein Wider­stand manu­ell vor­ein­ge­stellt werden.

Wäh­rend der Fle­xi­on (Abb. 9, rot) bewegt sich der Kol­ben abwärts, und das durch die ein­fah­ren­de Kol­ben­stan­ge ver­dräng­te Öl gelangt in Kam­mer B und kom­pri­miert die Luft­druck­fe­der C. Bei geschlos­se­nem Nadel­ven­til 5 strömt das Öl dabei nur durch das manu­ell ein­stell­ba­re Ven­til 1 mit hohem Wider­stand. Ist das akti­ve Nadel­ven­til 5 offen, ver­ur­sacht des­sen weit grö­ße­rer Quer­schnitt einen gerin­gen Gelenk­wi­der­stand für die Schwung­pha­sen­fle­xi­on. Wäh­rend der Fle­xi­on wird außer­dem das Rück­schlag­ven­til 4b durch­strömt, des­sen Wider­stand druck­ab­hän­gig ist (in Abb. 9 durch Ven­til 6 illus­triert) und somit eben­falls kei­ne mikro­pro­zessor­ge­steu­er­te Wider­stands­an­pas­sung ermöglicht.

Wäh­rend der Exten­si­on (blau) wird die in Luft­druck­fe­der C gespei­cher­te Ener­gie wie­der abge­ge­ben. Dabei strömt das Öl durch das groß­vo­lu­mi­ge Rück­schlag­ven­til 4c. Das akti­ve Ven­til 5 hat dadurch kei­nen Ein­fluss auf den Exten­si­ons­wi­der­stand. Dies wird auch aus Abbil­dung 10 ersicht­lich, in der die Ven­til­quer­schnit­te von Ven­til 1, 4c und 5 gezeigt sind. Wäh­rend der Exten­si­on strömt wei­ter­hin Öl von Kam­mer D durch das manu­ell ein­stell­ba­re Ven­til 2 und das Rück­schlag­ven­til 4a in Rich­tung A. Hier­aus ergibt sich der Exten­si­ons­wi­der­stand, der eben­falls nicht vom Mikro­pro­zes­sor ange­passt wer­den kann. Wird eine Hand­luft­pum­pe an Ven­til 3 geschlos­sen, kann der Druck in der Luft­fe­der und damit die Exten­si­ons­un­ter­stüt­zung ange­passt wer­den. Dies ändert eben­falls den Fle­xi­ons­wi­der­stand, was sich beson­ders auf die Schwung­pha­se auswirkt.

Funk­ti­ons­prin­zip Orion

Die Gelenk­wi­der­stän­de des Ori­on wer­den durch ein mikro­pro­zessor­ge­steu­er­tes ser­vo­hy­drau­li­sches Ven­til, ein mikro­pro­zessor­ge­steu­er­tes pneu­ma­ti­sches Ven­til und ein manu­ell ein­stell­ba­res Ven­til erzeugt. Durch den Mikro­pro­zes­sor kann damit der Fle­xi­ons­wi­der­stand stu­fen­los regu­liert und die Exten­si­ons­un­ter­stüt­zung für den fol­gen­den Schritt ange­passt werden.

Das hydrau­li­sche und das pneu­ma­ti­sche Sys­tem sind über eine gemein­sa­me Kol­ben­stan­ge ver­bun­den. Wäh­rend der Fle­xi­on (Abb. 11, rot) fließt Öl von Kam­mer A über das ser­vo­hy­drau­li­sche Ven­til 1 und das Rück­schlag­ven­til 4a zu Kam­mer B. Wei­ter­hin strömt Luft aus Kam­mer C über Rück­schlag­ven­til 4c und das akti­ve quas­ikon­ti­nu­ier­lich arbei­ten­de Nadel­ven­til 3 zu Kam­mer D. Der Fle­xi­ons­wi­der­stand lässt sich also in bei­den Krei­sen vom Mikro­pro­zes­sor ver­än­dern. Wird Ven­til 3 zuneh­mend geschlos­sen, so wirkt der Pneu­ma­tik­kol­ben eher als Luft­fe­der, indem der Druck in Kam­mer C erhöht und in Kam­mer D ver­rin­gert wird. Die so gespei­cher­te Ener­gie wird wäh­rend der fol­gen­den Exten­si­ons­be­we­gung (blau) wie­der abge­ge­ben. Dabei gleicht sich der Druck in Kam­mer C und D wie­der an. Bei wei­te­rer Exten­si­on wird der Druck­an­stieg in D über das Rück­schlag­ven­til 4d aus­ge­gli­chen. Der Exten­si­ons­wi­der­stand wird des­halb haupt­säch­lich durch den Hydrau­lik­kreis defi­niert. Hier strömt das Öl bei Exten­si­on durch das Rück­schlag­ven­til 4b und das manu­ell ein­stell­ba­re Ven­til 2. Die pro­gres­si­ve Dämp­fung des Exten­si­ons­an­schlags wird durch die Ver­le­gung des Zuflus­ses 5 mit dem Kol­ben rea­li­siert. Der Mikro­pro­zes­sor kann damit den Exten­si­ons­wi­der­stand nicht direkt beein­flus­sen, son­dern passt nur die Exten­si­ons­un­ter­stüt­zung an.

Funk­ti­ons­prin­zip Rel‑K

Das Rel‑K besitzt ein mikro­pro­zessor­ge­steu­er­tes ser­vo­hy­drau­li­sches Ven­til und ein manu­ell ein­stell­ba­res Ven­til zur Erzeu­gung der Gelenk­wi­der­stän­de. Damit lässt sich der Fle­xi­ons­wi­der­stand durch den Mikro­pro­zes­sor stu­fen­los regu­lie­ren. In Exten­si­ons­rich­tung kann allein die End­an­schlags­dämp­fung manu­ell ange­passt werden.

Wäh­rend der Fle­xi­on des Gelenks (Abb. 12, rot) bewegt sich der Kol­ben abwärts und ver­ur­sacht einen Ölfluss von Kam­mer A über das ser­vo­hy­drau­li­sche Fle­xi­ons­ven­til 1 und das Rück­schlag­ven­til 4b zu Kam­mer C.­ Das durch die Kol­ben­stan­ge ver­dräng­te Ölvo­lu­men kom­pri­miert dabei die Feder 3 im Aus­gleichs­be­häl­ter B.­ Wei­ter­hin spannt sich die um die Kol­ben­stan­ge ange­ord­ne­te Stahl­fe­der bei der Fle­xi­on. Wäh­rend der Exten­si­on (blau) wird die in den Stahl­fe­dern 3 und 5 gespei­cher­te Ener­gie abge­ge­ben. Dabei ergibt sich ein Ölfluss von Kam­mer B über Rück­schlag­ven­til 4c nach Kam­mer A. Das akti­ve Ven­til 1 wird dabei wegen des gerin­ge­ren Ven­til­quer­schnitts umgan­gen. Gleich­zei­tig strömt Öl von Kam­mer C über Rück­schlag­ven­til 4a nach Kam­mer A. Die Exten­si­ons­dämp­fung wird also nur durch den inter­nen Gelenk­wi­der­stand defi­niert. Mit zuneh­men­der Exten­si­on wird der Zufluss des Strö­mungs­pfads 6 durch den Kol­ben ver­legt, und der gerin­ge Quer­schnitt des manu­ell ein­stell­ba­ren Ven­tils 2 kommt zum Tra­gen. Dadurch steigt der Exten­si­ons­wi­der­stand abrupt an, da kei­ne Ele­men­te vor­han­den sind, die eine pro­gres­si­ve Dämp­fung ermög­li­chen. Das Sicher­heits­ven­til 7 schützt die Hydrau­lik vor Über­las­tung in Flexionsrichtung.

Dis­kus­si­on

Ver­gli­chen mit kon­ven­tio­nel­len mecha­ni­schen Knie­ge­len­ken kann durch die Mikro­pro­zes­sor­steue­rung eine hohe Ver­läss­lich­keit beim Wech­sel zwi­schen Stand- und Schwung­pha­se erreicht wer­den. Außer­dem lässt sich mit eini­gen Gelen­ken der Wider­stand nicht nur für die jewei­li­ge Gang­pha­se ein­stel­len – es sind auch gra­du­el­le Anpas­sun­gen mög­lich, die die Erfor­der­nis­se unter­schied­li­cher Bewe­gun­gen und Gang­si­tua­tio­nen berück­sich­ti­gen (Tab. 6).

Bedingt durch den ver­än­der­ten Mus­kel­sta­tus und die sen­so­ri­schen Defi­zi­te der ampu­tier­ten Sei­te ließ sich den­noch für alle unter­such­ten MPK eine Asym­me­trie in der Stand­pha­sen­dau­er fest­stel­len. Die hier gemes­se­ne Ver­kür­zung der Stand­pha­se auf der ampu­tier­ten Sei­te von 3,93 ± 9,74 % konn­te auch in ande­ren Stu­di­en gezeigt wer­den und lässt kei­nen Rück­schluss auf die Qua­li­tät der MPK zu 25 26. Auch die selbst­ge­wähl­te Gang­ge­schwin­dig­keit ist kein geeig­ne­tes Kri­te­ri­um für die Bewer­tung der MPK. Hier konn­ten signi­fi­kan­te Unter­schie­de zwi­schen den Gelen­ken fest­ge­stellt wer­den. Im Mit­tel lie­fen alle Pro­ban­den mit dem C‑Leg am schnells­ten und mit dem Rel‑K am lang­sams­ten (p < 0.0001). Da die Geschwin­dig­keit einen star­ken Effekt auf wei­te­re Gang­pa­ra­me­ter hat, wur­de in der Daten­aus­wer­tung stets geprüft, ob ihr Ein­fluss die Ergeb­nis­se über­la­gert. Die höhe­re Dyna­mik bei gro­ßen Gang­ge­schwin­dig­kei­ten, wie sie mit C‑Leg, Plié2.0 und Ori­on erzielt wur­den, erfor­dert bei­spiel­wei­se eine adäqua­te Dämp­fung der Last­über­nah­me beim Auftreten.

Auf der kon­tralate­ra­len Sei­te erfolgt zu die­sem Zweck eine aus­ge­präg­te Stand­pha­sen­fle­xi­on. Auch bei gesun­den Pro­ban­den erfolgt die­se und ver­rin­gert die Ampli­tu­de des Kör­per­schwer­punkts. Den­noch wird der Pati­en­ten­nut­zen der Stand­pha­sen­fle­xi­on kon­tro­vers dis­ku­tiert, obwohl auch das Gang­bild natür­li­cher erscheint. Als gesi­chert gilt, dass die Zeit zwi­schen Fer­sen­auf­tritt und Boden­kon­takt des Vor­fu­ßes ver­kürzt wer­den kann 27. Der dadurch län­ge­re voll­flä­chi­ge Boden­kon­takt könn­te die Sta­bi­li­tät verbessern.

Pro­the­sen­knie­ge­len­ke, die eine Stand­pha­sen­fle­xi­on ermög­li­chen, müs­sen nicht nur die Flexions‑, son­dern auch die Exten­si­ons­be­we­gung dämp­fen, um abrup­te Bewe­gun­gen zu ver­mei­den. Die am Streck­an­schlag gemes­se­ne Win­kel­be­schleu­ni­gung zeig­te, dass Rel‑K und Plié2.0 kei­ne adäqua­te Dämp­fung der Stand­pha­sen­ex­ten­si­on ermög­li­chen. Wei­ter­hin war es mit dem Rel‑K nicht mög­lich, nach der Stand­pha­sen­fle­xi­on die fol­gen­de Schwung­pha­se ein­zu­lei­ten. Der Fle­xi­ons­wi­der­stand blieb jedes Mal so hoch, dass kein nor­ma­ler Schritt mehr mög­lich war. Da sich aus der Ana­ly­se des tech­ni­schen Designs kein Anhalts­punkt für die­ses Ver­hal­ten ergab, sind die Steue­rungs­al­go­rith­men des Rel‑K wahr­schein­lich hier­für ver­ant­wort­lich. Durch die stär­ke­re Dämp­fung des Streck­an­schlags bie­ten C‑Leg und Ori­on eine bes­se­re Unter­stüt­zung der Stand­pha­sen­fle­xi­on. Die tech­ni­sche Ana­ly­se bestä­tig­te, dass der Exten­si­ons­wi­der­stand bei Plié2.0 und ­Rel‑K nicht vom Mikro­pro­zes­sor beein­flusst wer­den kann und des­halb nur die Anfor­de­run­gen für die Schwung­pha­sen­ex­ten­si­on erfüllt. Obwohl das Ori­on den Exten­si­ons­wi­der­stand des Hydrau­lik­krei­ses eben­falls nicht mikro­pro­zessor­ge­steu­ert anpas­sen kann, führt wahr­schein­lich der pro­gres­si­ve Streck­an­schlag zu einem güns­ti­gen Ver­hal­ten für die Exten­si­on wäh­rend der Standphase.

Noch wäh­rend der Stand­pha­se wird die fol­gen­de Schwung­pha­se ein­ge­lei­tet. Dazu müs­sen trans­fe­mo­ral Ampu­tier­te mit den Hüft­flexoren das natür­li­che Hüft­ge­lenk und das pro­the­ti­sche Knie­ge­lenk beu­gen. Des­halb soll­te der mus­ku­lä­re Auf­wand zum Ein­lei­ten der Schwung­pha­se mög­lichst gering sein. Das exter­ne Hüft­mo­ment wäh­rend der Schwung­pha­sen­ein­lei­tung kann als Indi­ka­tor für die Akti­vi­tät der ver­blie­be­nen Hüft­mus­ku­la­tur genutzt wer­den. Schmalz et al. brach­ten außer­dem erhöh­te Hüft­fle­xi­ons­mo­men­te mit einer Stei­ge­rung des meta­bo­li­schen Ener­gie­ver­brauchs in Zusam­men­hang 28.

Das bei Schwung­pha­sen­ein­lei­tung gemes­se­ne Hüft­mo­ment lässt ver­mu­ten, dass mit dem C‑Leg der gerings­te mus­ku­lä­re Auf­wand zur Beu­gungs­ein­lei­tung erfor­der­lich ist. Dass die Beu­gungs­ein­lei­tung mit dem Plié2.0 im direk­ten Ver­gleich zum C‑Leg ein­fa­cher erfolgt, konn­te somit nicht bestä­tigt wer­den 29 .

Da der sta­ti­sche Pro­the­sen­auf­bau und damit das exter­ne Knie­mo­ment für jedes Knie­ge­lenk iden­tisch war, könn­ten die gemes­se­nen Dif­fe­ren­zen im Hüft­mo­ment auf den Fle­xi­ons­wi­der­stand der Gelen­ke schlie­ßen las­sen. Die tech­ni­sche Ana­ly­se zeig­te, dass der mini­ma­le Wider­stand bei geöff­ne­tem Fle­xi­ons­ven­til haupt­säch­lich durch die Exten­si­ons­un­ter­stüt­zung gege­ben ist. Dar­aus folgt, dass die­se neben dem ver­läss­li­chen Errei­chen des Streck­an­schlags auch einen gerin­gen Fle­xi­ons­wi­der­stand gewähr­leis­ten muss.

Der bei den meis­ten MPK anzu­tref­fen­de Haupt­vor­teil ist die Adap­ti­on des Fle­xi­ons­wi­der­stan­des in der Schwung­pha­se an die Erfor­der­nis­se ver­schie­de­ner Gang­ge­schwin­dig­kei­ten. Andern­falls muss der Kniefle­xi­ons­win­kel durch eine akti­ve Aus­gleichs­be­we­gung kor­ri­giert wer­den, da auch beim Geschwin­dig­keits­wech­sel eine aus­rei­chen­de Boden­frei­heit und ein ver­läss­li­ches Errei­chen des Streck­an­schla­ges gewähr­leis­tet sein muss.

Ver­schie­de­ne Stu­di­en mit gesun­den Pro­ban­den zeig­ten, dass der linea­re Zusam­men­hang zwi­schen maxi­ma­lem Fle­xi­ons­win­kel und Gang­ge­schwin­dig­keit nicht 30 31 oder mit R2 um 0,4 nur gering­fü­gig 32 33 aus­ge­prägt ist. Die Mess­wer­te der kon­tralate­ra­len Sei­te bestä­ti­gen dies für alle MPK (6,2°/m/s). Das C‑Leg kommt dem natür­li­chen Ver­hal­ten am nächs­ten, da sich das Kniefle­xi­ons­win­kel­ma­xi­mum mit nur 3,2°/m/s ändert. Die erheb­lich höhe­ren Mess­wer­te von Ori­on (17,0°/m/s) und von Rel‑K (18,3°/m/s) lie­gen in einem Bereich, der auch bei ande­ren MPK fest­ge­stellt wur­de 34. Die star­ke Abhän­gig­keit des Kniefle­xi­ons­win­kels von der Gang­ge­schwin­dig­keit beim Plié2.0 von 28,1°/m/s über­steigt die Wer­te der ande­ren MPK deut­lich. Damit kann das Plié2.0 die Anfor­de­run­gen an ein natür­li­ches Schwung­pha­sen­ver­hal­ten nicht erfül­len. Die tech­ni­sche Ana­ly­se bestä­tig­te, dass die Fle­xi­ons­dämp­fung beim Plié2.0 durch den Mikro­pro­zes­sor nicht an ver­schie­de­ne Gang­ge­schwin­dig­kei­ten ange­passt wer­den kann.

Die fol­gen­de Schwung­pha­sen­ex­ten­si­on ist ein wei­te­res wich­ti­ges Qua­li­täts­kri­te­ri­um für MPK, da damit das ver­läss­li­che Errei­chen des Streck­an­schla­ges und eine genaue Fuß­po­si­tio­nie­rung beim Fer­sen­auf­tritt gewähr­leis­tet wer­den. Bei gesun­den Pro­ban­den wird der Streck­an­schlag bei rund 97 % des Gang­zy­klus erreicht. Die­ses Kri­te­ri­um wur­de bei allen Geschwin­dig­kei­ten vom Plié2.0 und vom C‑Leg am bes­ten erfüllt. Die größ­te Bewe­gung im Gelenk kurz vor Fer­sen­kon­takt wur­de beim Rel‑K gemes­sen. Das Ori­on zeig­te eben­falls eine erhöh­te Win­kel­ge­schwin­dig­keit unmit­tel­bar vor dem Auf­tre­ten. Den­noch konn­ten mit bei­den MPK kei­ne Unsi­cher­hei­ten wäh­rend der Mes­sun­gen beob­ach­tet wer­den. Aller­dings erfor­dert der ebe­ne Boden des Gang­la­bors kei­ne hohe Prä­zi­si­on bei der Posi­tio­nie­rung des Fußes, die aber beim Gehen von Trep­pen und Ram­pen not­wen­dig wäre.

Limi­ta­tio­nen der Studie

Die gerin­ge Anzahl und die Aus­wahl von Pro­ban­den hohen Mobi­li­täts­gra­des stel­len die wesent­li­chen Limi­ta­tio­nen die­ser Stu­die dar. Eben­falls kann die beob­ach­te­te Situa­ti­on im Labor Ein­fluss auf die Ergeb­nis­se haben. Da nur aus­ge­wähl­te Para­me­ter mit dem mobi­len Mess­sys­tem erfasst wer­den kön­nen, waren umfas­sen­de Feld­mes­sun­gen nicht mög­lich. Es konn­te jedoch gezeigt wer­den, dass die Aus­wir­kun­gen der genann­ten Ein­schrän­kun­gen gering blie­ben, da in der tech­ni­schen Ana­ly­se die Ergeb­nis­se der Gang­la­bor­mes­sun­gen bestä­tigt wer­den konn­ten. Durch die ver­gleich­ba­re Ein­ge­wöh­nungs­zeit vor Beginn der Mes­sun­gen wur­de ver­sucht, restrik­ti­ve Effek­te zu ver­mei­den. Wei­ter­hin soll­te die Bewer­tung des Gan­ges bei allen Geschwin­dig­kei­ten durch Ortho­pä­die-Tech­ni­ker und Pro­band even­tu­el­le Effek­te durch die Ein­stel­lung der Knie­ge­lenks­pa­ra­me­ter redu­zie­ren. Das zumeist ver­läss­li­che Errei­chen des Streck­an­schla­ges bei schnel­ler und lang­sa­mer Gang­ge­schwin­dig­keit unter­streicht, dass ein akzep­ta­bler Kom­pro­miss gefun­den wur­de. Es wäre außer­dem wün­schens­wert, die aus den gezeig­ten Dif­fe­ren­zen bei sicher­heits­re­le­van­ten Merk­ma­len resul­tie­ren­de Sturz­nei­gung näher zu unter­su­chen. Dazu könn­te in Zukunft der am Fach­ge­biet Medi­zin­tech­nik ent­wi­ckel­te Gang­si­mu­la­tor 35 ver­wen­det wer­den, um die mit Sturz­si­tua­tio­nen ein­her­ge­hen­de Pro­ban­den­be­las­tung zu vermeiden.

Zusam­men­fas­sung

Bei den in die­ser Stu­die unter­such­ten mikro­pro­zessor­ge­steu­er­ten Knie­ge­len­ken (C‑Leg, Plié2.0, Ori­on und Rel‑K) konn­ten signi­fi­kan­te Qua­li­täts­un­ter­schie­de beim ebe­nen Gehen im Gang­la­bor fest­ge­stellt wer­den. Die tech­ni­schen Ana­ly­sen zeig­ten, dass die­se Unter­schie­de auf die ver­schie­de­nen Funk­ti­ons­prin­zi­pi­en zurück­ge­führt wer­den kön­nen. Die Stand­pha­sen­steue­rung ist eine zen­tra­le Funk­ti­on der MPK. Beim Gehen mit Stand­pha­sen­fle­xi­on wird ein natür­li­che­res Gang­bild erreicht, und der voll­flä­chi­ge Boden­kon­takt des Fußes erfolgt schnel­ler. Die Ana­ly­se der Knie­win­kel­be­schleu­ni­gung zeig­te, dass mit C‑Leg und Ori­on eine har­mo­ni­sche­re Dämp­fung des Exten­si­ons­an­schla­ges nach Stand­pha­sen­fle­xi­on erreicht wird. Der Streck­an­schlag von Plié2.0 und Rel‑K war signi­fi­kant schlech­ter gedämpft. In der tech­ni­schen Ana­ly­se zeig­te sich, dass das C‑Leg den Exten­si­ons­wi­der­stand mit einem mikro­pro­zessor­ge­steu­er­ten Ven­til anpasst. Das Ori­on besitzt eine kon­struk­tiv fest­ge­leg­te pro­gres­si­ve Dämp­fung. Bei Plié2.0 und Rel‑K konn­ten kei­ne Ele­men­te iden­ti­fi­ziert wer­den, die eine adäqua­te Dämp­fung der Stand­pha­sen­ex­ten­si­on ermög­li­chen wür­den. Das Rel‑K erlaub­te außer­dem kein fort­lau­fen­des Gehen mit Standphasenflexion.

Aus den exter­nen Hüft­mo­men­ten, die durch die ver­blie­be­nen Hüft­flexoren auf­ge­bracht wer­den müs­sen, ließ sich auf die Ein­lei­tung der Schwung­pha­se schlie­ßen. Die­se war für alle Gang­ge­schwin­dig­kei­ten mit dem ­C‑Leg­ am leichtesten.

Das fol­gen­de Maxi­mum des Kniefle­xi­ons­win­kels vari­ier­te bei unter­schied­li­chen Gang­ge­schwin­dig­kei­ten mit dem C‑Leg am gerings­ten, was dem Ver­hal­ten der kon­tralate­ra­len Sei­te am nächs­ten kam. Die ver­läss­li­che Steue­rung des Fle­xi­ons­win­kels bei varia­bler Kadenz ist eine Vor­aus­set­zung zur Ver­mei­dung von Stolper­si­tua­tio­nen durch den Boden­kon­takt der Zehen­spit­ze beim Durch­schwin­gen oder durch schlech­tes Timing beim Errei­chen des Streckanschlages.

Bei Ori­on und Rel‑K konn­te ein star­ker Zusam­men­hang zwi­schen Knie­win­kel­ma­xi­mum und Gang­ge­schwin­dig­keit nach­ge­wie­sen wer­den. Plié2.0 wich am stärks­ten von einer opti­ma­len Schwung­pha­sen­steue­rung ab. Die tech­ni­sche Ana­ly­se bestä­tig­te, dass beim Plié2.0 kei­ne mikro­pro­zessor­ge­steu­er­te Adap­ti­on des Fle­xi­ons­wi­der­stan­des mög­lich ist. Es kann nur zwi­schen einem hohen Stand­pha­sen­fle­xi­ons­wi­der­stand und einem nied­ri­gen Schwung­pha­sen­fle­xi­ons­wi­der­stand umge­schal­tet wer­den. Dadurch lässt sich die star­ke Zunah­me des Kniefle­xi­ons­win­kels mit der Gang­ge­schwin­dig­keit erklä­ren. Im Gegen­satz dazu wei­sen C‑Leg, Ori­on und Rel‑K ser­vo­hy­drau­li­sche Ven­ti­le zur mikro­pro­zessor­ge­steu­er­ten Adap­ti­on des Fle­xi­ons­wi­der­stan­des auf.

In der fol­gen­den Schwung­pha­sen­ex­ten­si­on wur­de bei allen Geschwin­dig­kei­ten mit dem Plié2.0 wie auch mit dem C‑Leg der Streck­an­schlag vor dem Fer­sen­auf­tritt erreicht. Spe­zi­ell bei mitt­le­rer Geschwin­dig­keit war dies beim Ori­on und Rel‑K sel­te­ner der Fall, was die Posi­tio­nier­ge­nau­ig­keit des Fußes ver­rin­gern könnte.

Die ermit­tel­ten signi­fi­kan­ten Unter­schie­de in der Funk­ti­on der Knie­ge­len­ke las­sen ver­mu­ten, dass der tat­säch­li­che Pati­en­ten­nut­zen eben­falls stark vari­iert. Es wäre wei­ter­hin denk­bar, dass in beson­ders sicher­heits­kri­ti­schen Gang­si­tua­tio­nen wie auf unebe­nem Ter­rain, Trep­pen oder Ram­pen die­se Unter­schie­de noch deut­li­cher zuta­ge tre­ten. Des­halb kann nicht davon aus­ge­gan­gen wer­den, dass die kli­ni­schen Ergeb­nis­se ein­zel­ner MPK auf ande­re Gelen­ke über­tra­gen wer­den kön­nen. Es besteht wei­te­rer For­schungs­be­darf, um die ver­schie­de­nen Funk­tio­na­li­tä­ten und sicher­heits­re­le­van­ten Merk­ma­le umfas­sen­der zu beleuchten.

Dank­sa­gung

Die Autoren bedan­ken sich bei der Bun­des­an­stalt für Mate­ri­al­prü­fung (BAM) für die Bereit­stel­lung der Com­pu­ter­to­mo­gra­phien der MPK sowie bei Sae­ed Zahe­di (Blatch­ford and Son) für die Anmer­kun­gen zum Funk­ti­ons­prin­zip des Ori­on und bei Phil­ipp Kam­pas (Otto Bock Health­ca­re) für die Erläu­te­run­gen zum C‑Leg.

Inter­es­sens­kon­flikt

Die­se Stu­die wur­de durch den Her­stel­ler des C‑Leg Otto Bock Health­ca­re GmbH finanziert.

Ori­gi­nal­fas­sung

Die­ser Arti­kel ist bereits in einer unge­kürz­ten eng­li­schen Fas­sung erschie­nen: Thie­le J, Wes­teb­be B, ­­Bell­mann M,­ Kraft M. Designs and per­for­mance of micro­pro­ces­sor-con­trol­led knee joints. Bio­me­di­zi­ni­sche Technik/Biomedical Engi­nee­ring, 2014; 59 (1): ­65–77, ISSN 0013–5585, DOI: 10.1515/ bmt-2013–0069

 

Für die Autoren:
Juli­us Thiele
Tech­ni­sche Uni­ver­si­tät Berlin
Fach­ge­biet Medizintechnik
Dove­stra­ße 6
10587 Ber­lin
julius.thiele@tu-berlin.de

Begut­ach­te­ter Beitrag/Reviewed paper

Zita­ti­on
Thie­le J, Wes­teb­be B, Bell­mann M, Kraft M. Design und Leis­tungs­fä­hig­keit mikro­pro­zessor­ge­steu­er­ter Knie­ge­len­ke. Ortho­pä­die Tech­nik, 2014; 65 (5): 70–79

Her­stel­ler:

[a] Otto Bock Health­ca­re GmbH, Max-Näder-Str. 15, 37115 Duder­stadt, Deutschland

[b] Chas A Blatch­ford and Sons Ltd, Lis­ter Road, Basing­s­to­ke, Hamp­shire, RG22 4AH, UK

[c] Free­dom Inno­va­tions, 30 Fair­banks, Ste. 114, Irvi­ne, CA 92618, USA

[d] Riz­zo­li Orto­pe­dia S. p. A., Via Cesa­re Bat­tis­ti 44, 40054 Budrio (BO), Italien

[e] Vicon Moti­on Sys­tems Ltd, 14 Minns Busi­ness Park, West Way, Oxford OX2 OJB, UK

[f] Kist­ler Instru­men­te AG, Eulach­str. 22, 8408 Win­ter­thur, Schweiz

[g] Össur Deutsch­land GmbH, Augus­ti­nus­stra­ße 11A, 50226 Fre­chen, Deutschland

[h] Nab­tes­co Cor­po­ra­ti­on, 35 Uoza­ki­ha­ma­ma­chi, Higa­shina­da-ku, Kobe 658‑0024, Japan

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