Ein neu­ar­ti­ger Pro­the­sen­fuß für den Brei­ten­sport – ers­te Erfah­run­gen und Resul­ta­te bio­me­cha­ni­scher Tests

T. Schmalz, J. Sottong, M. Bellmann, C. Moenicke
In dem Beitrag wird über erste Erfahrungen und Resultate biomechanischer Tests mit einem neuen Sportprothesenfuß für den Freizeitsportbereich berichtet. Mit fünf sportinteressierten Unterschenkelamputierten der Mobilitätsgrade 3 und 4 wurden das Laufen (Joggen) und Grundelemente von Ballsportarten und Rückschlagspielen getestet. Die Resultate zeigen, dass der neue Sportfuß es ermöglicht, die Bewegungsabläufe im Vergleich mit der bisher notwendigen Nutzung von Alltagsfüßen messbar dynamischer, flexibler und natürlicher auszuführen. Hiermit werden die orthopädietechnischen Voraussetzungen für den Freizeitsportbereich deutlich verbessert.

Ein­lei­tung

Die Ent­wick­lung von Pro­the­sen­fü­ßen für die All­tags­ver­sor­gung Bein­am­pu­tier­ter ist in den letz­ten Jah­ren durch eine ste­ti­ge Zunah­me der ver­füg­ba­ren Funk­tio­na­li­tä­ten gekenn­zeich­net. Ins­be­son­de­re die zuneh­men­de Nut­zung hydrau­li­scher Steue­run­gen der Knö­chel­be­we­gung und die Ent­wick­lung mikro­pro­zessor­ge­steu­er­ter Kon­zep­te leis­ten hier­für einen wesent­li­chen Bei­trag und ergän­zen die bewähr­ten kon­ven­tio­nel­len kon­struk­ti­ven Ideen.

Für den Bereich des Hoch­leis­tungs­sports, ins­be­son­de­re den leicht­ath­le­ti­schen Sprint, kann für den Zeit­raum der letz­ten 20 Jah­re eben­falls eine kon­ti­nu­ier­li­che und dyna­mi­sche Opti­mie­rung der Fuß­kon­zep­te kon­sta­tiert wer­den. Bei­spie­le hier­für sind die heu­te oft ver­wen­de­ten Ver­sio­nen der Che­e­tah-Fami­lie (Össur), der Cata­pult Run­ning (Free­dom Inno­va­tions) oder der 1E90 Sprin­ter (Otto­bock). Mit die­sen Pas­s­tei­len errei­chen die welt­bes­ten unter­schen­kel­am­pu­tier­ten Ath­le­ten mitt­ler­wei­le 100-Meter-Zei­ten weit unter­halb der 11-Sekun­den-Gren­ze 1.

Die oft­mals auf den Hoch­leis­tungs­be­reich fokus­sier­te Ent­wick­lung der Sport­fü­ße führ­te auch dazu, dass spe­zi­fi­sche Füße für brei­ten­sport­li­che Akti­vi­tä­ten lan­ge nicht zur Ver­fü­gung stan­den. Somit konn­te dem zuneh­men­den Wunsch Bein­am­pu­tier­ter, sich im Rah­men der Reha­bi­li­ta­ti­on sport­lich zu betä­ti­gen, nur unzu­rei­chend ent­spro­chen wer­den. Als Behelfs­lö­sung für popu­lä­re Frei­zeit­sport­ak­ti­vi­tä­ten wie Lau­fen (Jog­gen), Ball­sport­ar­ten oder Rück­schlag­spie­le dien­te oft­mals die Nut­zung hoch­dy­na­mi­scher All­tags- oder Sprint­fü­ße. Ins­be­son­de­re Letz­te­re stell­ten durch die eigent­li­che Zweck­be­stim­mung für das Lau­fen mit maxi­ma­ler Geschwin­dig­keit auf­grund der feh­len­den Fer­se, der man­geln­den mehraxia­len Fle­xi­bi­li­tät oder der stei­fig­keits­be­ding­ten extre­men Rück­stell­kräf­te nur unbe­frie­di­gen­de Kom­pro­miss­lö­sun­gen dar.

In jüngs­ter Ver­gan­gen­heit sind ver­stärk­te Akti­vi­tä­ten ver­schie­de­ner Her­stel­ler zu beob­ach­ten, mit Neu­ent­wick­lun­gen die beschrie­be­ne Lücke im Pas­s­teil­an­ge­bot für den Brei­ten­sport zu schlie­ßen. In die­sem Kon­text wird im vor­lie­gen­den Bei­trag ein neu­ar­ti­ger Pro­the­sen­fuß für Sport­ak­ti­vi­tä­ten vor­ge­stellt. Im Mit­tel­punkt ste­hen dabei die Resul­ta­te ers­ter bio­me­cha­ni­scher Tests für das Lau­fen und für Grund­ele­men­te von Ball­sport­ar­ten und Rück­schlag­spie­len, die mit Unter­schen­kel­am­pu­tier­ten durch­ge­führt wur­den. Hier­mit soll die Eig­nung des neu­en Kon­zep­tes für die beschrie­be­nen Bewe­gungs­ab­läu­fe getes­tet werden.

Metho­den

Sport­pro­the­sen­fuß 1E95

Der in der Unter­su­chung zu tes­ten­de Sport­pro­the­sen­fuß ist der in Abbil­dung 1 dar­ge­stell­te 1E95 Chal­len­ger (Otto­bock, Deutsch­land). Die spe­zi­fi­sche Kon­tur der Haupt­fe­der (2) führt zu einer mini­ma­len Beweg­lich­keit ober­halb des Kur­ven­ra­di­us, wodurch die Sta­bi­li­tät des Feder­sys­tems unter­stützt wird. Der lang­ge­zo­ge­ne Teil der Haupt­fe­der unter­halb des Kur­ven­ra­di­us ist extrem fle­xi­bel – vor­teil­haft für die bei vie­len sport­li­chen Bewe­gungs­ab­läu­fen not­wen­di­gen Stoß­dämp­fungs- und Ener­gie­rück­ga­be­ef­fek­te. Durch die kon­struk­ti­ve Lösung von Basis­fe­der (3) und Fer­sen­keil (4) gelingt eine Ent­kopp­lung von Fer­sen- und Vor­fuß­be­reich. Hier­durch ver­bleibt die Boden­re­ak­ti­ons­kraft bei Fer­sen­auf­tritt im Rück­fuß­be­reich. Bei Beginn des Vor­fuß­kon­tak­tes ist somit die Haupt­fe­der zunächst weit­ge­hend unbe­las­tet, wodurch die elas­ti­schen Eigen­schaf­ten die­ses Ele­men­tes nach­fol­gend nahe­zu voll­stän­dig genutzt wer­den kön­nen. Eine Fuß­hül­le ist nicht erfor­der­lich. Durch das Vor­fuß­pols­ter (5) kann der Fuß mit allen nied­rig geschnit­te­nen Sport­schuh­va­ri­an­ten genutzt werden.

Pro­banden­grup­pe

An der Unter­su­chung nah­men 5 männ­li­che uni­la­te­ral Unter­schen­kel­am­pu­tier­te mit hohem Mobi­li­täts­grad teil, die ein star­kes Inter­es­se an sport­li­chen Akti­vi­tä­ten anga­ben und die­se bis­her mit dem jewei­li­gen All­tags­fuß aus­führ­ten. Die indi­vi­du­el­len Daten der Frei­zeit­sport­ler sind in Tabel­le 1 ange­ge­ben. Für Ver­gleichs­zwe­cke stan­den die Daten einer Grup­pe von 5 männ­li­chen neu­ro­lo­gisch und ortho­pä­disch gesun­den Per­so­nen zur Ver­fü­gung (25 ± 2 Jah­re, 76 ± 14 kg, 180 ± 8 cm). Die­se Per­so­nen absol­vie­ren in ihrer Frei­zeit 2 bis 3 durch­schnitt­lich 90-minü­ti­ge Trai­nings­ein­hei­ten pro Woche. Bei 3 Pro­ban­den ist die bevor­zug­te Sport­art das Lau­fen, jeweils ein Pro­band betreibt pri­mär Fuß­ball bzw. all­ge­mei­nes Fit­ness­trai­ning. Die­se Grup­pe wur­de unter iden­ti­schen Bedin­gun­gen wie die Unter­schen­kel­am­pu­tier­ten beim Lau­fen im Labor vermessen.

Mess­tech­nik

Die bio­me­cha­ni­schen Tests wur­den in einem Gang­la­bor durch­ge­führt, das eine 12 m lan­ge Lauf­stre­cke bie­tet. Die Kine­ma­tik der Bewe­gung wur­de mit einem opto­elek­tro­ni­schen Kame­ra­sys­tem (12 Boni­ta-Kame­ras, Vicon, Oxford, UK; Mess­fre­quenz 200 Hz) über die Ver­fol­gung von 17 pas­si­ven Mar­kern erfasst. Die­se wur­den gemäß einem frü­her beschrie­be­nen selbst ent­wi­ckel­ten Modell plat­ziert 2. Die Mes­sung der Boden­re­ak­ti­ons­kräf­te erfolg­te mit zwei in der Lauf­stre­cke inte­grier­ten Kraft­mess­plat­ten (9287A, Kist­ler, Win­ter­thur, CH; Mess­fre­quenz 1 kHz). Auf der Basis der kine­ma­ti­schen Daten und der Boden­re­ak­ti­ons­kräf­te wur­den die exter­nen Gelenk­mo­men­te gemäß einem Algo­rith­mus berech­net, der eben­falls in einer frü­he­ren Arbeit beschrie­ben wur­de 3.

Ver­suchs­durch­füh­rung

Die getes­te­ten unter­schen­kel­am­pu­tier­ten Sport­ler hat­ten kei­ne Vor­er­fah­run­gen mit dem 1E95. Vor Beginn der Tests wur­de die­ser den Sport­lern vor­ge­stellt und der Inhalt der Unter­su­chung erläu­tert. Dann erfolg­te der Ein­bau des Sport­fu­ßes in die jewei­li­ge All­tags­pro­the­se ent­spre­chend der in einer Vor­un­ter­su­chung ermit­tel­ten bio­me­cha­nisch opti­mier­ten Auf­bau­vor­schrift 4. Gemäß die­ser ist der Fuß sowohl in Sagit­tal- als auch Fron­tal­ebe­ne ähn­lich wie All­tags­fü­ße ins Pro­the­sen­sys­tem des Unter­schen­kel­am­pu­tier­ten ein­zu­ord­nen 5 6. Nach­fol­gend tes­te­ten die Sport­ler das Lau­fen mit dem Sys­tem ohne spe­zi­fi­sche Vor­ga­ben zwi­schen 30 und 60 Minu­ten. Die ers­ten Ver­su­che wur­den in einer natür­li­chen Situa­ti­on außer­halb des Labors absol­viert. Anschlie­ßend erfolg­te die Adap­t­ati­on an die Bedin­gun­gen im Labor, was kei­ner­lei Pro­ble­me berei­te­te. Wäh­rend die­ser Test­pha­se wur­de die indi­vi­du­ell opti­ma­le Stei­fig­keit des Fer­sen­keils ermit­telt (sie­he Abb. 1). Nach Abschluss aller vor­be­rei­ten­den Akti­vi­tä­ten, einer Erho­lungs­pha­se von ca. 15 Minu­ten und der Prä­pa­rie­rung mit den Mess­mar­kern star­te­ten die Untersuchungen.

Lau­fen

Die Sport­ler lie­fen mit der Anwei­sung einer selbst­ge­wähl­ten Geschwin­dig­keit, die sub­jek­tiv dem Lau­fen in natür­li­cher Umge­bung ent­spre­chen soll­te, mehr­fach durch das Mess­vo­lu­men im Labor (Abb. 2). Dabei wur­den für Pro­the­sen und kon­tralate­ra­le Sei­te zwi­schen 6 und 10 Ein­zel­ver­su­che auf­ge­zeich­net. Aus die­sen Wer­ten wur­den lauf­zy­klus­nor­mier­te Mit­tel­wer­te gebil­det und aus­ge­zeich­ne­te Peaks der bio­me­cha­ni­schen Para­me­ter selek­tiert. Für die­se Bewer­tungs­pa­ra­me­ter erfolg­te eine Prü­fung hin­sicht­lich signi­fi­kan­ter Unter­schie­de zwi­schen Pro­the­sen- und kon­tralate­ra­ler Sei­te und zur Grup­pe der Nicht­am­pu­tier­ten mit dem U‑Test (Mann/Whitney). Dabei wur­de das Signi­fi­kanz­ni­veau auf p ≤ 0.05 fest­ge­setzt. Die Daten der Nicht­am­pu­tier­ten reprä­sen­tie­ren die Mit­tel­wer­te der Para­me­ter bei­der Extremitäten.

Ver­gleich: 1E95 und All­tags­fuß bei dif­fe­ren­ten Bewegungsabläufen

Der ein­zi­ge Sport­ler (Pro­band 5 aus Tabel­le 1), der angab, auch im All­tag regel­mä­ßig zu lau­fen, wur­de eben­falls mit dem All­tags­fuß 1C60 Tri­ton (Otto­bock) ana­log der oben beschrie­be­nen Wei­se ver­mes­sen. Dane­ben absol­vier­te die­ser Sport­ler ver­glei­chend mit bei­den Füßen Bewe­gungs­ab­läu­fe ande­rer Freizeitsport­aktivitäten, wor­auf er sich in der Vor­be­rei­tungs­pha­se eben­falls vor­be­rei­te­te. Unter die­sen ist eine soge­nann­te Cross­over-Step-Schritt­fol­ge für eine bio­me­cha­ni­sche Objek­ti­vie­rung gut geeig­net. Die­se reprä­sen­tiert Grund­ele­men­te einer gan­zen Rei­he von Sport­ar­ten (vor allem Ten­nis, Bad­min­ton, Squash, Hand- und Bas­ket­ball). In der Situa­ti­on im Labor hat der Sport­ler dabei die Auf­ga­be, sich aus einer Aus­gangs­stel­lung mit zwei schnel­len Schrit­ten pro­the­sen­sei­tig nach late­ral zu bewe­gen. Beim 3. Schritt wird die Kraft­mess­plat­te kon­tak­tiert und mit der Pro­the­se eine schnel­le Umkehr­be­we­gung in die Aus­gangs­stel­lung ein­ge­lei­tet. Die­ser Gesamt­zy­klus (Abb. 3 rechts) wird 15 Sekun­den lang wie­der­holt. Die Auf­ga­be besteht dar­in, mög­lichst vie­le Zyklen zu absol­vie­ren. Dabei wird jeweils die Umkehr­be­we­gung mit der Pro­the­se auf der Kraft­mess­plat­te gemes­sen (Abb. 3 links). Für bei­de Pro­the­sen­fü­ße wur­den 5 Ver­su­che die­ser Art durch­ge­führt. Eine fuß­ver­glei­chen­de Ana­ly­se wur­de anhand der Ver­su­che mit der höchs­ten erreich­ten Zyklen­an­zahl vorgenommen.

Der Sport­ler absol­vier­te den gesam­ten Mess­ab­lauf (Lau­fen und Cross­over-Step-Schritt­fol­ge) zunächst mit dem 1E95. Nach einer 30-minü­ti­gen Pau­se wur­de die Pro­ze­dur mit dem All­tags­fuß wiederholt.

Resul­ta­te

Lau­fen

Die unter­schen­kel­am­pu­tier­ten Sport­ler lie­fen mit einer im Ver­gleich zu den Gesun­den nur mini­mal gerin­ge­ren mitt­le­ren Geschwin­dig­keit (2.9 (Stan­dard­ab­wei­chung: 0.1) m/s vs. 3.0 (0.1) m/s). Die Schritt­län­gen waren eben­falls nur ten­den­zi­ell – ohne signi­fi­kan­ten Beleg – ver­rin­gert (Pro­the­sen­sei­te ℗: 1.12 (0.07) m, kon­tralate­ra­le Sei­te (K): 1.08 (0.09) m, Gesun­de (G): 1.15 (0.08) m). Die mitt­le­re Ver­ti­kal­kom­po­nen­te der Boden­re­ak­ti­ons­kraft der unter­schen­kel­am­pu­tier­ten Sport­ler ähnelt den Mess­wer­ten der gesun­den Grup­pe mit nicht­si­gni­fi­kant unter­schied­li­chen Maxi­mal­wer­ten von 256 (44) % BW ℗, 265 (37) %  BW (K) und250(43)%  BW(G). Dabei wer­den mit 1E95 ver­gleichs­wei­se hohe Wer­te im letz­ten Teil der Stütz­pha­se gemes­sen (Abb. 4). Die mitt­le­re Hori­zon­tal­kraft­kom­po­nen­te der kon­tralate­ra­len Sei­te der unter­schen­kel­am­pu­tier­ten Sport­ler ähnelt der der Nicht­am­pu­tier­ten (Abb. 4). In der pro­the­sen­sei­ti­gen Stütz­pha­se (lauf­spe­zi­fi­scher Ter­mi­nus, der der vom Gehen bekann­ten Bezeich­nung „Stand­pha­se“ ent­spricht) wer­den signi­fi­kant ver­rin­ger­te hori­zon­ta­le Kräf­te gemes­sen. Dies betrifft sowohl das brem­send wir­ken­de Mini­mum (–15 (4) % BW vs. –29 (7) % BW (K) und –23 (7) % BW (G)) als auch das beschleu­ni­gend wir­ken­de Maxi­mum (17 (7) %  BW vs. 26 (6) % BW (K) und 29 (5) % BW (G)). Die aus den Hori­zon­tal­kräf­ten berech­ne­ten mitt­le­ren Quo­ti­en­ten aus Brem­sund Beschleu­ni­gungs­im­puls zei­gen mit einem Wert von 0.73 (0.29) beim Stütz mit dem Sport­fuß einen effi­zi­en­te­ren Wert im Ver­gleich mit dem kon­tralate­ra­len Boden­kon­takt (0.85 (0.38)) an. Der Wert der gesun­den Grup­pe beträgt hier 0.58 (0.16).

Die Para­me­ter des Knö­chel­ge­lenks sind für die kon­tralate­ra­le Sei­te der unter­schen­kel­am­pu­tier­ten Sport­ler und die Gesun­den erneut ähn­lich (Abb. 5a und b). Mit dem Sport­fuß wird nach Stütz­be­ginn kei­ne initia­le Plan­t­ar­fle­xi­on aus­ge­führt, son­dern sofort eine exten­si­ve Dor­salex­ten­si­on ein­ge­lei­tet. Deren Ampli­tu­de ist mit 23 (3)° ver­gli­chen mit der kon­tralate­ra­len Sei­te (13 (5)°) und den Gesun­den (15 (5)°) signi­fi­kant ver­grö­ßert. Am Knö­chel­ge­lenk (kon­struk­tiv bedingt anzu­neh­men auf der Haupt­fe­der ca. 8 cm vor deren dor­sa­lem Ende) wird in der Mit­te der Stütz­pha­se das höchs­te mitt­le­re Maxi­mal­mo­ment gemes­sen (2.8 (0.3) Nm/kg vs. 2.4 (0.2) Nm/kg (K) und 2.6 (0.1) Nm/kg (G)). Hier­bei ist die Dif­fe­renz zur kon­tralate­ra­len Sei­te signifikant.

Die bio­me­cha­ni­schen Para­me­ter der pro­xi­ma­len Gelen­ke der unte­ren Extre­mi­tät offen­ba­ren bei den durch­ge­führ­ten Ver­glei­chen nur gerin­ge Dif­fe­ren­zen. Aus­ge­nom­men hier­von ist ledig­lich das am pro­the­sen­sei­ti­gen Knie­ge­lenk wir­ken­de Fle­xi­ons­mo­ment (Abb. 5c und d). Die­ses ist beim Boden­kon­takt mit der Pro­the­se signi­fi­kant ver­rin­gert (–1.5 (0.6) Nm/kg vs. –2.5 (0.5) Nm/kg (K) und –2.3 (0.5) Nm/kg (G)). Gene­rell füh­ren die unter­schen­kel­am­pu­tier­ten Sport­ler in der Stütz­pha­se mit bei­den Knie­ge­len­ken eine lauf­ty­pi­sche Fle­xi­ons-Exten­si­ons-Bewe­gung aus; die Gelen­ke sind dabei zu Beginn des Boden­kon­tak­tes im Mit­tel mit Wer­ten zwi­schen 5 und 8° etwas stär­ker als beim Gehen „vor­flek­tiert“.

Ver­gleich: 1E95 und All­tags­fuß bei dif­fe­ren­ten Bewegungsabläufen

Bei der Unter­su­chung des Lau­fens lief der Sport­ler mit dem 1E95 im Ver­gleich mit dem All­tags­fuß mit einer etwas grö­ße­ren Geschwin­dig­keit (3.1 vs. 2.9 m/s) und höhe­ren Schritt­län­gen (1.20 vs. 1.10 m ℗ und 1.20 vs. 1.18 m (K)). Die Stütz­zei­ten unter­schie­den sich nur gering­fü­gig (0.27 vs. 0.26 s ℗ und 0.30 vs. 0.29 s (K)). Die gemes­se­nen Boden­re­ak­ti­ons­kräf­te wei­sen mar­kan­te quan­ti­ta­ti­ve und struk­tu­rel­le Dif­fe­ren­zen auf (Abb. 6). Das Maxi­mum der Ver­ti­kal­kom­po­nen­te ist mit dem 1E95 deut­lich höher (291 vs. 257 % BW) und erreicht knapp das Drei­fa­che des Kör­per­ge­wichts. Zudem ist der Kur­ven­ver­lauf mit dem Sport­fuß deut­lich har­mo­ni­scher und nicht „zwei­gipf­lig“. Die Hori­zon­tal­kom­po­nen­te zeigt bei 1E95 redu­zier­te maxi­ma­le Brems- (–12 vs. –28 % BW) und erhöh­te Beschleu­ni­gungs­kräf­te (19 vs. 13 % BW).

Für das Ver­hält­nis von Brems- zu Beschleu­ni­gungs­stoß wur­de für 1E95 ein stark redu­zier­ter Wert im Ver­gleich mit dem All­tags­fuß errech­net (0.40 vs. 1.95). Dies ist als Indi­ka­tor für eine deut­lich effi­zi­en­te­re Stütz­pha­se mit dem Sport­fuß zu wer­ten. Am Knö­chel­ge­lenk ist bei Stütz­be­ginn auf­fäl­lig, dass mit dem All­tags­fuß zunächst eine gering­fü­gi­ge Plan­t­ar­fle­xi­on ein­ge­lei­tet wird, die mit dem Sport­fuß nicht mess­bar ist. Im wei­te­ren Ver­lauf wird mit 1E95 eine aus­ge­präg­te Dor­salex­ten­si­on von ca. 23° aus­ge­führt (All­tags­fuß: 20°). Der Maxi­mal­wert des am Knö­chel­ge­lenk wir­ken­den Moments ist mit dem Sport­fuß deut­lich höher (2.8 vs. 2.4 Nm/kg, Abb. 7a und b) Für die pro­xi­ma­len Gelen­ke zei­gen sich gering­fü­gi­ge­re Dif­fe­ren­zen im Fuß­ver­gleich. Aus­ge­nom­men davon ist ein etwas stär­ke­rer knie­ex­ten­die­ren­der Effekt gegen Ende der Stütz­pha­se mit 1E95 (Abb. 7c und d).

Bei der getes­te­ten Cross­over-Step-Schritt­fol­ge war der Sport­ler in der Lage, inner­halb des 15-Sekun­den-Tests mit dem Sport­fuß 6 kom­plet­te Zyklen zu absol­vie­ren, mit dem All­tags­fuß zwi­schen 5 und 6. Exem­pla­risch sind in Abbil­dung 8 die ver­ti­ka­le und die medi­o­la­te­ra­le Kom­po­nen­te der Boden­re­ak­ti­ons­kraft für zwei Umkehr­be­we­gun­gen (3. und 4. Kon­takt des 15-Sekun­den-Tests) auf der Kraft­mess­plat­te dar­ge­stellt (Abb. 3). Mit bei­den Füßen ist dabei ein „initia­ler Kon­takt­peak“ messbar.

Gene­rell zei­gen sich beim Fuß­ver­gleich mar­kan­te Dif­fe­ren­zen bezüg­lich der Dyna­mik der Bewe­gung. Die Zyklus­zeit (Peri­ode zwi­schen dem Beginn zwei­er Umkehr­be­we­gun­gen) ist mit dem Sport­fuß deut­lich ver­rin­gert (Mit­tel­wert der 6 Kon­tak­te: 2.33 vs. 2.52 s). Glei­ches trifft auf die Stütz­zeit zu (0.40 vs. 0.49 s). Auf­grund der höhe­ren mög­li­chen Bewe­gungs­ge­schwin­dig­kei­ten wer­den mit 1E95 deut­lich höhe­re Boden­re­ak­ti­ons­kräf­te gemes­sen, die sich auch struk­tu­rell unter­schei­den. Dies gilt für die dem „initia­len Kon­takt­peak“ nach­fol­gen­den Maxi­mal­wer­te der ver­ti­ka­len (1590 vs. 1293 N) und der medi­o­la­te­ra­len (691 vs. 569 N) Kom­po­nen­te. Zudem sind die mit dem All­tags­fuß sicht­ba­ren Unste­tig­kei­ten („Buckel­bil­dung“ im letz­ten Teil des Stüt­zes) mit dem 1E95 nicht messbar.

Dis­kus­si­on

Für das bei den Tests im Labor zunächst schwer­punkt­mä­ßig unter­such­te Lau­fen wur­den Geschwin­dig­kei­ten zwi­schen 2.9 und 3.1 m/s ermit­telt. Dies ent­spricht „Kilo­me­ter­zei­ten“ zwi­schen 5:45 und 5:22 Minu­ten und zeigt, dass das brei­ten­sport­li­che Lau­fen auch unter den spe­zi­fi­schen Bedin­gun­gen des Labors mit der limi­tier­ten Lauf­stre­cke weit­ge­hend rea­li­täts­nah aus­ge­führt und ver­mes­sen wer­den kann 7. Die gering­fü­gi­gen Geschwin­dig­keits­un­ter­schie­de las­sen zudem einen direk­ten Ver­gleich der bio­me­cha­ni­schen Para­me­ter zwi­schen den unter­such­ten Situa­tio­nen zu.

Die Tests zum Lau­fen bestä­ti­gen, dass unter­schen­kel­am­pu­tier­te Sport­ler die­se Akti­vi­tät im Ver­gleich mit Nicht­am­pu­tier­ten auch ohne eine grund­le­gen­de Ände­rung der Moto­rik aus­füh­ren kön­nen. Die Moto­rik des Lau­fens Nicht­am­pu­tier­ter ist in bio­me­cha­ni­schen Ana­ly­sen nach­voll­zieh­bar doku­men­tiert 8 9 10. Die bio­me­cha­ni­schen Para­me­ter der kon­tralate­ra­len Extre­mi­tät ähneln ohne Aus­nah­me dhtt­penen der Nichtamputierten.

Die ampu­ta­ti­ons­be­ding­ten Funk­ti­ons­aus­fäl­le der pro­the­ti­schen Extre­mi­tät Unter­schen­kel­am­pu­tier­ter erfor­dern ins­be­son­de­re einen künst­li­chen Ersatz der Funk­ti­on der sprung­ge­len­küber­grei­fen­den Mus­ku­la­tur. Prin­zi­pi­ell ist dies auch mit All­tags­fü­ßen mög­lich. Frü­he­re Stu­di­en zum Lau­fen Unter­schen­kel­am­pu­tier­ter mit All­tags­fü­ßen doku­men­tie­ren als wesent­li­che pro­the­sen­sei­ti­ge bio­me­cha­ni­sche Cha­rak­te­ris­ti­ken – neben der unver­meid­lich geän­der­ten Knö­chel­be­we­gung – eine ver­gleichs­wei­se inef­fi­zi­en­te Stütz­pha­se (rela­tiv star­ke Brems­ef­fek­te), eine leicht ein­ge­schränk­te Kniefle­xi­on und dras­tisch redu­zier­te Kniefle­xi­ons­mo­men­te 11 12 13 14.

Die hier vor­ge­stell­ten Mes­sun­gen zei­gen, dass das Kon­zept des 1E95-Sport­fu­ßes die­se Limi­tie­run­gen teil­wei­se deut­lich redu­ziert. Dies ist beleg­bar mit den Mit­tel­wer­ten der hier unter­such­ten Grup­pe im Ver­gleich mit den Resul­ta­ten einer frü­he­ren Stu­die mit 6 mit einem Flex­Foot ver­sorg­ten Sport­lern 15. Bestä­tigt wird dies auch mit dem hier dar­ge­stell­ten Ein­zel­ver­gleich zwi­schen 1E95 und All­tags­fuß. Das neu kon­zi­pier­te Fer­sen­ver­hal­ten und die elas­ti­schen Eigen­schaf­ten der Haupt­fe­der füh­ren zu einem extrem ver­bes­ser­ten Ver­hält­nis zwi­schen brem­sen­den und beschleu­ni­gen­den Effek­ten. Die Abstoß­pha­se wird wirk­sam unter­stützt, wodurch ins­be­son­de­re die feh­len­de Funk­ti­on der Plan­t­ar­flexoren bes­ser als bis­her ersetzt wird. Das neu­ar­ti­ge Fer­sen­ver­hal­ten mit einer aus­ge­präg­ten Dor­salex­ten­si­on för­dert eine nähe­rungs­wei­se natür­li­che Kniefle­xi­on unter Belas­tung. Die für Unter­schen­kel­am­pu­tier­te typi­sche Reduk­ti­on des knieflek­tie­ren­den Moments fällt im Ver­gleich zu den mit Flex­Foot-Pro­the­sen­fü­ßen beim Lau­fen gemes­se­nen Wer­ten 16 deut­lich gerin­ger aus.

Der grund­sätz­li­che Effekt der Reduk­ti­on der Kniefle­xi­ons­mo­men­te spie­gelt mög­li­cher­wei­se auch eine spe­zi­fi­sche Adap­t­ati­on an die Situa­ti­on nach Unter­schen­kel­am­pu­ta­ti­on wider, die in frü­he­ren Stu­di­en nach­ge­wie­sen wur­de. Gemäß die­sen Unter­su­chun­gen kor­re­liert die unter Belas­tung beim Gehen eben­falls mess­ba­re Reduk­ti­on der Momen­te mit redu­zier­ten Mus­kel­quer­schnit­ten 17 und redu­zier­ten Mus­kel­kräf­ten 18 der pro­the­sen­sei­ti­gen Knie­ex­ten­so­ren. In die­sem Sin­ne könn­te die kon­struk­tiv beding­te Nor­ma­li­sie­rung der Knie­be­las­tung durch den 1E95 auch einen posi­ti­ven the­ra­peu­ti­schen Effekt haben, da ver­grö­ßer­te Kniefle­xi­ons­mo­men­te ver­stärk­te kom­pen­sa­to­ri­sche Akti­vi­tä­ten der Exten­so­ren erfor­dern. Es erscheint plau­si­bel, dass die­ser Effekt somit auch zu einer Kräf­ti­gung die­ser bei Unter­schen­kel­am­pu­tier­ten gene­rell etwas geschwäch­ten Mus­kel­grup­pe bei­tra­gen kann 19 20.

Die Resul­ta­te der neben dem Lau­fen exem­pla­risch unter­such­ten Bewe­gungs­ab­läu­fe las­sen dar­auf schlie­ßen, dass sich der 1E95 auch für ande­re Frei­zeit­sport­ak­ti­vi­tä­ten bes­ser eig­net als die bis­her benutz­ten All­tags­fü­ße. Aus ers­ten Erfah­run­gen im Rah­men von Feld­tests berich­te­ten 20 Nut­zer mehr­heit­lich von einem hohen Maß an Sta­bi­li­tät bei gleich­zei­tig spür­bar erhöh­ter „Dyna­mik“. Die­se Effek­te sind inter­pre­tier­bar als Resul­ta­te des neu­ar­ti­gen Fer­sen­ver­hal­tens und der kon­struk­ti­ven Gestal­tung der Haupt­fe­der und soll­ten sich als beson­ders vor­teil­haft erwei­sen, wenn der Sport­fuß bei Ball­sport­ar­ten oder Rück­schlag­spie­len genutzt wird (Abb. 9). Im Rah­men die­ser Unter­su­chung ist dies mit den Dyna­mo­gram­men der Umkehr­be­we­gun­gen der Cross­over-Step-Schritt­fol­ge mess­tech­nisch nach­voll­zieh­bar (ver­kürz­te Stütz­zei­ten, erhöh­te Maxi­mal­kräf­te und „har­mo­ni­sche­re“ Kur­ven­ver­läu­fe mit 1E95).

Zusam­men­fas­send ist fest­zu­hal­ten, dass der hier vor­ge­stell­te Sport­pro­the­sen­fuß erwei­ter­te Mög­lich­kei­ten im frei­zeit­sport­li­chen Bereich bie­tet. Bis­he­ri­ge prin­zi­pi­el­le Limi­tie­run­gen bei der Nut­zung von All­tags­fü­ßen im Ver­gleich mit den Bewe­gungs­mus­tern Nicht­am­pu­tier­ter wer­den bei gleich­zei­tig phy­sio­lo­gi­sche­rer Belas­tung des Bewe­gungs­ap­pa­rats redu­ziert. Der Ein­satz des Fußes ist dabei nicht auf den Bereich der Unter­schen­kel­am­pu­ta­ti­on beschränkt: In Kom­bi­na­ti­on mit einem mecha­tro­ni­schen Pro­the­sen­knie­ge­lenk mit inte­grier­ter Stand­pha­sen­beu­ge­si­che­rung ist der Ein­satz auch im Frei­zeit­sport Ober­schen­kel­am­pu­tier­ter denk­bar. Ent­spre­chen­de Tests hier­zu sind geplant.

Für die Autoren:
Dr. Tho­mas Schmalz
Otto­bock Health­ca­re GmbH
Bereich Forschung/Biomechanik
Her­mann-Rein-Stra­ße 2a
37075 Göt­tin­gen
schmalz@ottobock.de

Begut­ach­te­ter Beitrag/reviewed paper

Zita­ti­on
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