Ein neu­es Knie­pas­s­teil für Ober­schen­kel­am­pu­tier­te mit kur­zem Stumpf — Bes­se­re Füh­rung der Pro­the­se durch pro­xi­ma­len Massenschwerpunkt

J. Boender
Erfahrungsgemäß fällt dem Nutzer die Führung seiner Prothese umso schwerer, je kürzer der Stumpf und je schwerer die Prothese ist. Das Prothesenkniegelenk Very Good Knee – Short Transfemoral (VGK-S) nutzt die Aufbauhöhe zwischen Knieachse und Schaft bei kurzen Oberschenkel- oder Hüftexartikulationsstümpfen. Die Hydraulikeinheit befindet sich oberhalb der Knieachse. Dadurch verlagert sich der Massenschwerpunkt nach proximal. Kräfte und Momente, die durch die Prothese auf den Stumpf wirken, werden reduziert. Die Führung der Prothese wird verbessert und die Belastung der Haut reduziert.

Ein­lei­tung

Von zeit­ge­mä­ßen Pro­the­sen­knie­ge­len­ken wer­den umfas­sen­de Funk­tio­nen erwar­tet, z. B. eine zuver­läs­si­ge Umschal­tung zwi­schen Stand- und Schwung­pha­sen­mo­dus, Knie­beu­gung unter Belas­tung, Sicher­heit bei Last­über­nah­me (auch in Stolper­si­tua­tio­nen) und ein natür­li­ches Gang­bild bei unter­schied­li­chen Geh­ge­schwin­dig­kei­ten. Nach bis­he­ri­gem Stand der Tech­nik wer­den die­se Funk­tio­nen meist durch eine Hydrau­lik­ein­heit mit elek­tro­ni­scher Steue­rung imple­men­tiert. Die dazu erfor­der­li­chen Akkus tra­gen jedoch nicht uner­heb­lich zum Gewicht der Pro­the­se bei, was für Ober­schen­kel­am­pu­tier­te mit kur­zem Stumpf zu einem Pro­blem wer­den kann. Der­zeit wer­den alle gän­gi­gen Knie­pas­s­tei­le unab­hän­gig von der Stumpf­län­ge ein­ge­setzt („One size fits all“). Die­se Pas­s­tei­le haben dadurch ihren Mas­sen­schwer­punkt zwangs­läu­fig unter­halb der Knie­ach­se. Für Ober­schen­kel­am­pu­tier­te mit kur­zem Stumpf hat dies nega­ti­ve Aus­wir­kun­gen, die im Fol­gen­den näher erläu­tert wer­den. Die Lösung ist ein spe­zi­ell auf die Bedürf­nis­se die­ser Ziel­grup­pe zuge­schnit­te­nes Knie­pas­s­teil, das im Fol­gen­den vor­ge­stellt wird.

Anzei­ge

Das Stan­dard­werk „Ampu­ta­ti­on und Pro­the­sen­ver­sor­gung“ führt auf, wie moder­ne Schaft­for­men ver­su­chen, die pseu­darthro­ti­schen Bewe­gun­gen zwi­schen Stumpf und Pro­the­sen­schaft zu redu­zie­ren 1. Trotz­dem ver­bleibt ein gewis­ses „Spiel“ des Femurs im Schaft. Tech­nisch aus­ge­drückt: Das Mas­sen­träg­heits­mo­ment, das mit der genann­ten pseu­darthro­ti­schen Bewe­gung ein­her­geht, ist stö­rend. Die Pro­the­se folgt einer Bewe­gung des Femurs nur mehr oder weni­ger prä­zi­se (Abb. 1). Neben der Län­ge des Femurs und der Qua­li­tät der Schaft­an­pas­sung hängt das Aus­maß die­ses Pro­blems daher maß­geb­lich auch von der Mas­sen­ver­tei­lung der Pro­the­se ab: Ein höhe­rer Schwer­punkt bei glei­chem Gewicht kann die auf den Stumpf ein­wir­ken­den Kräf­te erheb­lich redu­zie­ren und so die Füh­rung der Pro­the­se verbessern.

Hydrau­lik­ein­heit ober­halb der Knieachse

Ober­schen­kel­am­pu­tier­te mit kur­zem Stumpf bekom­men manch­mal zu hören, ihr Stumpf sei „zu kurz“, um von der Pro­the­se eine ver­gleich­ba­re Funk­ti­on wie beim län­ge­ren Stumpf erwar­ten zu kön­nen. Ortho­mo­bi­li­ty sah in die­sem schein­ba­ren Nach­teil jedoch die Chan­ce, die freie Bau­hö­he zwi­schen Knie­dreh­punkt und Schaft für ein spe­zi­ell an die Bedürf­nis­se die­ser Ziel­grup­pe ange­pass­tes Knie­pas­s­teil zu nut­zen: das Very Good Knee – Short Trans­fe­mo­ral (VGK‑S; Abb. 2 u. 3; erfor­der­li­che Bau­hö­he Abb. 4).

Die Hydrau­lik­ein­heit des VKG‑S befin­det sich ober­halb der Knie­ach­se. Der pro­xi­ma­le Schwer­punkt ermög­licht es, den Unter­schen­kel in der initia­len Schwung­pha­se mit gerin­ge­rem Kraft­auf­wand des Stump­fes nach vor­ne zu brin­gen. In der ter­mi­na­len Schwung­pha­se wer­den beim Abbrem­sen gerin­ge­re Kräf­te auf den Stumpf ausgeübt.

Das Eigen­ge­wicht des VGK‑S spielt für die Bewe­gung des Unter­schen­kels prak­tisch kei­ne Rol­le. Dies hat signi­fi­kan­te Vor­tei­le für den Pro­the­sen­an­wen­der: Indem die auf den Stumpf ein­wir­ken­den Kräf­te mini­miert wer­den, wer­den die Weich­tei­le des Stump­fes weni­ger defor­miert. Dadurch wird das „Spiel“ des Femurs im Schaft redu­ziert. Es kommt zu einer deut­lich bes­se­ren pro­prio­zep­ti­ven Wahr­neh­mung der Pro­the­se. Dar­über hin­aus führt die gerin­ge­re Kraft­ein­wir­kung zu einer redu­zier­ten Belas­tung der Haut, ins­be­son­de­re am Schaftrand. Das Risi­ko des Wund­scheu­erns sinkt.

Den Nach­teil des kur­zen Stump­fes in einen Vor­teil verkehren

Beim VGK‑S kann die Stand­pha­sen­si­che­rung durch zwei Mecha­nis­men aus­ge­löst werden:

  1. durch das Körpergewicht,
  2. durch eine Streck­be­we­gung der Hüf­te, selbst bei weit gebeug­tem Knie.

Je nach Knie­win­kel greift also min­des­tens einer die­ser bei­den Mecha­nis­men. Die Hüft­stre­ckung kann beim Fer­sen­auf­tritt erfol­gen, eben­so aber auch als reflex­ar­ti­ge Reak­ti­on in einer Stolper­si­tua­ti­on wäh­rend der Schwung­pha­se bei bereits weit gebeug­tem Knie.

Die Steue­rung der Schwung-Stand­pha­sen­um­schal­tung des Knie­ge­lenks aus der Hüf­te her­aus wird durch eine Hilfs­ach­se ermög­licht (Abb. 5). Die­se muss ober­halb der Knie­ach­se und mög­lichst nah an der Hüf­te gela­gert sein. Wäh­rend der Vor­schwung­pha­se ver­läuft die Boden­re­ak­ti­ons­kraft bereits vor der Hilfs­ach­se, aber noch hin­ter der Knie­ach­se. Die Hüft­beu­gung bewirkt in die­ser Pha­se eine mini­ma­le, für den Pro­the­sen­trä­ger nicht wahr­nehm­ba­re Dre­hung um die Hilfs­ach­se, wodurch das VGK‑S in den Schwung­pha­sen­mo­dus ver­setzt wird.

Stol­per­schutz durch Reflex

Auch der Stol­per­schutz wird über eine Bewe­gung der Hüf­te aus­ge­löst. Beim Nicht­be­hin­der­ten bewirkt ein Kör­per­re­flex in einer Stolper­si­tua­ti­on die Sta­bi­li­sie­rung des Kör­pers durch Anspan­nung der Hüft- und Knie­streck­mus­ku­la­tur auf der stol­pern­den Sei­te, ver­bun­den mit einer Ent­las­tung der kon­tralate­ra­len Sei­te. Die­ser Reflex, der unbe­wusst und auto­ma­tisch erfolgt, gibt dem Stol­pern­den die Mög­lich­keit, den Kör­per durch einen Schritt nach vor­ne auf­zu­fan­gen. Nach Mei­nung des Autors funk­tio­niert die­ser Reflex in Bezug auf die Hüft­mus­ku­la­tur auch beim Ober­schen­kel­am­pu­tier­ten. Die bis­he­ri­ge Pra­xis mit dem VGK‑S bestä­tigt das: Wenn der Pro­the­sen­fuß wäh­rend der Schwung­pha­se hän­gen­blei­ben soll­te, kommt es reflex­ar­tig zu einer Streck­be­we­gung des Stump­fes und einer Gewichts­ver­la­ge­rung auf die Pro­the­se. Das Very Good Knee – Short Trans­fe­mo­ral schal­tet dadurch augen­blick­lich in den hohen Stand­pha­sen­wi­der­stand. Das VGK‑S bie­tet somit eine ähn­li­che Sicher­heit wie ansons­ten nur elek­tro­nisch gesteu­er­te Knie­ge­len­ke sowie das Very Good Knee – Go! (VGK-Go!).

Adap­ti­ve Flu­id­steue­rung in der Standphase

Das VGK – Short Trans­fe­mo­ral nutzt die vom Very Good Knee – Go! bekann­te und bewähr­te adap­ti­ve Flu­id­steue­rung, bei wel­cher sich der Wider­tand der Hydrau­lik­ein­heit unter Zuhil­fe­nah­me der Bewe­gungs­en­er­gie der Hydrau­lik­flüs­sig­keit auto­ma­tisch und in Echt­zeit an die ver­schie­de­nen Pha­sen des Gang­zy­klus anpasst. Eine Stu­die der Kli­ni­schen Prüf­stel­le für ortho­pä­di­sche Hilfs­mit­tel der Uni­ver­si­tät Müns­ter, in der das VGK mit aus­ge­wähl­ten elek­tro­nisch gesteu­er­ten Pro­the­sen­knie­ge­len­ken ver­gli­chen wur­de, kommt zu dem Ergeb­nis: „Das VGK ist als ein­zi­ges der moder­nen Knie­ge­len­ke nicht elek­tro­nisch gesteu­ert, es bie­tet aber in Hin­blick auf die Funk­tio­nen ein gleich­wer­ti­ges Spek­trum wie die elek­tro­nisch gesteu­er­ten Knie­ge­len­ke.“ 2

Wie ist das mög­lich? Dazu zwei Bei­spie­le für die Funk­ti­ons­wei­se der adap­ti­ven Flu­id­steue­rung: Zur Sta­bi­li­sie­rung der Knie­beu­gung unter Belas­tung in der Stand­pha­se, etwa beim Berg­ab- oder Trepp­ab­ge­hen, wird die Hydrau­lik­flüs­sig­keit in einer schnell rotie­ren­den Wir­bel- oder Stru­del­be­we­gung durch ein Ven­til gelenkt. Bei einer Erhö­hung der auf das Knie­ge­lenk wir­ken­den Kräf­te bewirkt die­ser Wir­bel eine augen­blick­li­che Erhö­hung des Knie­wi­der­stands, sodass im Ergeb­nis eine prak­tisch gleich­blei­ben­de Beu­ge­funk­ti­on gewahrt bleibt. Dies pas­siert z. B. durch die zuneh­men­de effek­ti­ve Hebel­län­ge beim Ein­sin­ken unter Belas­tung (Abb. 6) oder wenn zusätz­lich zum ein­ge­stell­ten Nut­zer­ge­wicht Las­ten berg­ab oder trepp­ab getra­gen wer­den. Glei­cher­ma­ßen kom­pen­siert die Wir­bel­be­we­gung den ver­än­der­ten Wider­stand bei erhöh­ter Vis­ko­si­tät der Hydrau­lik­flüs­sig­keit, bewirkt also auch bei Erwär­mung des Knie­pas­s­teils durch die Außen­tem­pe­ra­tur bzw. durch inten­si­ve Nut­zung eine gleich­blei­ben­de Knie­beu­gung. Die schlich­te Anwen­dung grund­le­gen­der phy­si­ka­li­scher Natur­ge­set­ze ersetzt so eine auf­wen­di­ge elek­tro­ni­sche Ventilsteuerung.

Adap­ti­ve Flu­id­steue­rung in der Schwungphase

Ein wei­te­res Grund­prin­zip der adap­ti­ven Flu­id­steue­rung ermög­licht unter­schied­li­che Geh­ge­schwin­dig­kei­ten bei gleich­blei­bend phy­sio­lo­gi­schem Knie­win­kel. Beim VGK‑S wur­den bis­her 7,5 km/h auf dem Lauf­band gemes­sen. Auch das Gewicht des gera­de getra­ge­nen Schuhs wird durch die adap­ti­ve Flu­id­steue­rung weit­ge­hend kom­pen­siert und hat somit kaum Ein­fluss auf die Fle­xi­ons­be­we­gung des Knies – eine wich­ti­ge Eigen­schaft im All­tag des Pro­the­sen­trä­gers. Eine erhöh­te Geh­ge­schwin­dig­keit führt zunächst zu einer schnel­le­ren Bewe­gung des Kol­bens der Hydrau­lik­ein­heit, der an den Knie­win­kel gekop­pelt ist. Dadurch kommt es zu einem erhöh­ten Druck in einer Hydrau­lik­kam­mer, der wei­te­re Ven­ti­le akti­viert bzw. schließt. Dadurch wird die Bewe­gung des Kol­bens abge­bremst und die Knie­beu­gung limi­tiert. Die höhe­re Kol­ben­ge­schwin­dig­keit (infol­ge der höhe­ren Geh­ge­schwin­dig­keit) löst also einen Wider­stand gegen die­se Geschwin­dig­keit aus – ein sich selbst regu­lie­ren­der Mecha­nis­mus und damit ein wei­te­res Bei­spiel für ein Grund­prin­zip der adap­ti­ven Flu­id­steue­rung. Der an den phy­si­ka­li­schen Grund­la­gen der Flu­id­steue­rung inter­es­sier­te Leser sei in die­sem Zusam­men­hang auf den Arti­kel „Super­qua­dra­tic beha­viour of vor­tex diodes“ von Tesar ver­wie­sen 3.

Anfor­de­run­gen an ein Prothesenknie

Das VGK‑S erfüllt alle Anfor­de­run­gen der von Ortho­mo­bi­li­ty pos­tu­lier­ten Bedürf­nis­hier­ar­chie eines Ober­schen­kel­am­pu­tier­ten (Tab. 1): Sicher­heit in der Stand­pha­se, gefolgt vom Stol­per­schutz in der Schwung­pha­se, wer­den als wich­tigs­te Grund­be­dürf­nis­se ange­nom­men. Auf­bau­end auf die­sen sicher­heits­re­le­van­ten Bedürf­nis­sen folgt die Mög­lich­keit der Knie­beu­gung unter Belas­tung (berg­ab, trepp­ab). Die­se soll­te mit kon­stan­ter Ein­sink­ge­schwin­dig­keit und auch noch bei sehr stark gebeug­tem Knie mög­lich sein – was auch das siche­re Über­win­den sehr stei­ler Gefäl­le ermög­licht (Abb. 7).

Selbst­re­dend besteht der Wunsch nach einem natür­li­chen Gang­bild mit phy­sio­lo­gi­scher Kniefle­xi­on sowohl bei klei­nen und lang­sa­men Schrit­ten als auch bei sehr hohen Geh­ge­schwin­dig­kei­ten, mög­lichst unab­hän­gig vom Gewicht des Schuhwerks.

Auch das Hin­knien stellt spe­zi­fi­sche Anfor­de­run­gen an ein Pro­the­sen­knie: Beim auf­rech­ten Knien soll­te das Becken im Gleich­stand sein (Abb. 8). Dazu muss der Abstand zwi­schen Knie­ach­se und vor­de­rer Kan­te des Pro­the­sen­knies (dem Kon­takt­punkt mit dem Boden beim Knien) ein genau defi­nier­tes Maß haben, das die Län­ge des Ober­schen­kels bei ange­win­kel­tem Knie mög­lichst genau aus­gleicht, denn die­se Län­ge ergibt sich bei sach­ge­rech­tem Pro­the­sen­auf­bau ja zunächst aus der Situa­ti­on beim Ste­hen (Knie­spal­te der kon­tralate­ra­len Sei­te plus ca. 20 mm). Dar­über hin­aus soll der Auf­la­ge­punkt (die schwar­ze Knie­kap­pe beim VGK‑S) so beschaf­fen sein, dass die Pro­the­se beim Knien auf glat­tem Unter­grund (z. B. Par­kett, Tep­pich) nicht abrutscht bzw. beim Knien auf rau­em Unter­grund (z. B. Asphalt) nicht verkratzt.

Ein phy­sio­lo­gi­scher maxi­ma­ler Knie­win­kel hat für den All­tag des Ober­schen­kel­am­pu­tier­ten eine nicht zu unter­schät­zen­de Bedeu­tung: Beim ange­win­kel­ten Knien auf dem Boden soll­te das Gesäß auf der Fer­se auf­sit­zen kön­nen (Abb. 9). Nicht min­der bedeut­sam ist der Knie­win­kel bei einer Situa­ti­on wie der in Abbil­dung 10 dar­ge­stell­ten: Beim Par­ken (oder Zuge­parkt­wer­den) in engen Park­lü­cken, wenn die Auto­tür nur wenig geöff­net wer­den kann, muss das Pro­the­sen­knie maxi­mal weit gebeugt wer­den können.

Wei­ter­hin soll­te die Pro­the­se im Nass­be­reich unein­ge­schränkt genutzt wer­den kön­nen, auch in Salz­was­ser. Die Was­ser­fes­tig­keit des VGK‑S geht dabei so weit, dass auch die Nut­zung unter Was­ser, etwa beim Waten durch hüft­ho­hes Was­ser, mög­lich ist, unter­stützt durch einen Fest­stell­mo­dus, um das Knie blo­ckie­ren zu kön­nen (Kom­bi­na­ti­on mit geeig­ne­ten was­ser­fes­ten Pro­the­sen­fü­ßen und Adap­ter­stü­cken vorausgesetzt).

Auch die Nut­zung bei Hit­ze, sei es Umge­bungs­hit­ze oder die betriebs­be­ding­te Erwär­mung des Knie­ge­lenks, soll­te unein­ge­schränkt mög­lich sein. Die spe­zi­el­le Kon­struk­ti­on der Hydrau­lik­ein­heit des Very Good Knee ermög­licht dabei Tem­pe­ra­tu­ren von über 40 ℃ ohne nen­nens­wer­te Ver­än­de­rung beim Yiel­ding (Knie­beu­gung unter Belas­tung bei Kom­pen­sa­ti­on der dann sehr viel höhe­ren Vis­ko­si­tät der Hydrau­lik­flüs­sig­keit) bzw. ohne nen­nens­wer­te Ver­än­de­rung des Knie­win­kels (und damit auch der mög­li­chen Geh­ge­schwin­dig­keit) in der Schwung­pha­se. Nicht zuletzt ist auch die Unab­hän­gig­keit von einer Strom­ver­sor­gung ein Stück Frei­heit für den Prothesenträger.

Fazit

Das Very Good Knee – Short Trans­fe­mo­ral stellt einen Mei­len­stein dar, der die Ver­sor­gung von Ober­schen­kel­am­pu­tier­ten mit kur­zem Stumpf neu defi­niert: Der kur­ze Stumpf soll­te – wie auch becken­ho­he Ver­sor­gun­gen – mit eigens hier­für ent­wi­ckel­ten Knie­pas­s­tei­len ver­sorgt wer­den. Dabei spielt der Mas­sen­schwer­punkt eine ent­schei­den­de Rol­le. Zwar erfor­dern umfas­sen­de Leis­tungs­merk­ma­le nun ein­mal ein gewis­ses Gewicht, jedoch rela­ti­vie­ren sich die 998 g Gewicht des VGK‑S auf­grund des hohen Schwer­punkts: Durch das gerin­ge Mas­sen­träg­heits­mo­ment wirkt das Very Good Knee – Short Trans­fe­mo­ral wie ein her­kömm­li­ches Knie­pas­s­teil von nur ca. 250 g.

Der Autor:
Jacob Boen­der, M. Eng., CPO
Ortho­mo­bi­li­ty Ltd.
Maria­hof Gut 1
54292 Trier
jacob.boender@verygoodknee.de

Begut­ach­te­ter Beitrag/reviewed paper

Zita­ti­on
Boen­der J. Ein neu­es Knie­pas­s­teil für Ober­schen­kel­am­pu­tier­te mit kur­zem Stumpf. Ortho­pä­die Tech­nik, 2016; 67 (12): 18–21
PrioEigen­schaftKate­go­rie
1Sicher­heit in der StandphaseSicher­heit
2Sicher­heit (Stol­per­schutz) in der Schwungphase
3Knie­beu­gung unter Belas­tung (berg­ab, trepp­ab) bei kon­stan­ter EinsinkgeschwindigkeitNatür­li­ches Gangbild
4Natür­li­ches Gang­bild bei lang­sa­mer und schnel­ler Gehgeschwindigkeit
5Becken­gleich­stand beim auf­rech­ten KnienKnien und Kniewinkel
6Phy­sio­lo­gi­scher maxi­ma­ler Knie­win­kel bis 175°
7Was­ser­fes­tig­keit, KratzfestigkeitKei­ne Ein­schrän­kun­gen durch die Prothese
8Unein­ge­schränk­te Nut­zung auch in Extrem­si­tua­tio­nen wie z. B. Käl­te, Hit­ze, Feuchtigkeit
9Unab­hän­gig­keit von Stromversorgung
Tab. 1 Bedürf­nis­hier­ar­chie in Bezug auf ein Prothesenknie.
  1. Grei­te­mann B, Brück­ner L, Schä­fer M, Baum­gart­ner R. Ampu­ta­ti­on und Pro­the­sen­ver­sor­gung. 4., voll­stän­dig über­ar­bei­te­te Auf­la­ge. Stutt­gart: Thie­me Ver­lag, 2016: 397
  2. Schü­ling S, Hil­de­brandt M, Tie­mey­er K. Knie­pas­s­tei­le mit gere­gel­ter Fle­xi­ons­dämp­fung für Ober­schen­kel­am­pu­tier­te im kli­ni­schen cross-over Ver­gleich: C‑Leg, Rheo-Knee II, VGK, Ori­on. Müns­ter: Schü­ling Ver­lag, 2013
  3. Tesar V. Super­qua­dra­tic Beha­viour of Vor­tex Diodes. Pro­cee­dings of IFAC Sym­po­si­um „Pneu­ma­tic and Hydrau­lic Com­pon­ents“, War­schau, 1980: 79
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