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

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.

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

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