Ent­wick­lung eines Orthe­sen­knö­chel­ge­lenks mit neu­ar­ti­gem Rückstellfederelement

Das Sprung­ge­lenk des mensch­li­chen Körpers

Die drei­di­men­sio­na­le Bewe­gung der Sprung­ge­len­ke ermög­licht eine effi­zi­en­te Abroll­be­we­gung des Fußes wäh­rend des Gehens und Lau­fens, indem die Gelen­ke auf unter­schied­li­che Belas­tun­gen und Unter­grün­de reagie­ren. Es ist wich­tig zu beto­nen, dass die­se Bewe­gun­gen nicht iso­liert von­ein­an­der statt­fin­den, son­dern in einem koor­di­nier­ten Zusammenspiel.

Die Bewe­gun­gen in den drei Haupt­ebe­nen – der Sagit­tal­ebe­ne, der Fron­tal­ebe­ne und der Trans­ver­sal­ebe­ne – sind in Abbil­dung 1 nach Hoh­mann und Uhl­ig¹ beschrieben.

Der Funk­ti­ons­aus­gleich orthe­ti­scher Knö­chel­ge­lenk­sys­te­me fokus­siert sich in der Regel auf das obe­re Sprung­ge­lenk (OSG), wel­ches wesent­li­che Funk­tio­nen für eine effek­ti­ve Fort­be­we­gung ermög­licht. Patho­lo­gi­sche Bewe­gungs­mus­ter füh­ren hier zu einer deut­lich redu­zier­ten Mobi­li­tät der betrof­fe­nen Patienten.

Wie in Abbil­dung 2 nach Hoh­mann und Uhl­ig² zu erken­nen, wird zwi­schen akti­ver (Eigen­kraft) und pas­si­ver (Fremd­kraft) Ran­ge of Moti­on unter­schie­den. Laut der Neu­tral-Null-Metho­de besteht eine akti­ve Beweg­lich­keit von 20–0‑40, wel­che im Gang nicht voll­um­fäng­lich genutzt wird. Im nor­ma­len Gang­zy­klus wer­den ca. 10° Dor­sal­ex­ten­si­on und 15° Plant­ar­fle­xi­on benö­tigt³.

Das unte­re Sprung­ge­lenk (USG) hat im Wesent­li­chen die Funk­ti­on der Stoß­dämp­fung und Adap­ti­on an ver­schie­de­ne Unter­grün­de. Häu­fig ist die Funk­tio­na­li­tät in die­ser Gelen­kebe­ne durch den Auf­bau der orthe­ti­schen Ver­sor­gung deut­lich ein­ge­schränkt. In der Orthe­tik fin­det das USG in den meis­ten Fäl­len Berück­sich­ti­gung in einer ent­spre­chend tei­le­las­tisch gefer­tig­ten Fuß­scha­le mit elas­ti­scher Fuß­bet­tung⁴.

Rele­van­te Kräf­te inner­halb ana­to­mi­scher Strukturen

Im bio­me­cha­ni­schen Sin­ne hat der Fuß vie­le Auf­ga­ben zu bewäl­ti­gen und gewähr­leis­tet die Last­über­nah­me des viel­fa­chen Kör­per­ge­wich­tes. Der Fuß über­trägt zudem die Kräf­te, die neben der Gleich­ge­wichts­re­gu­lie­rung auch der Fort­be­we­gung die­nen. Um die viel­fäl­ti­gen Anfor­de­run­gen zu erfül­len, hat der Fuß eine kom­ple­xe knö­cher­ne, mus­ku­lä­re und liga­men­tä­re Struk­tur (Abb. 3). Die­se erlaubt es, dass der Fuß je nach Bedarf sei­ne Stel­lung, sei­ne Form und sei­ne Stei­fig­keit ver­än­dert. Die Anord­nung der Fuß­kno­chen bil­det eine cha­rak­te­ris­ti­sche längs­ge­wölb­te Form. Das Quer­ge­wöl­be wird durch die Mit­tel­fuß­kno­chen gebil­det, wel­ches durch mus­ku­lä­re und fas­zia­le Ver­span­nun­gen ent­steht. Die­ses dient pri­mär zur Erzeu­gung der erfor­der­li­chen Stei­fig­keit des Vor­fu­ßes in der Abstoß­pha­se⁵.

Das OSG und das USG erlau­ben Bewe­gung in zwei unter­schied­li­chen ana­to­mi­schen Ach­sen sowie zusam­men­ge­setz­te Bewe­gun­gen durch die struk­tu­rel­le Anord­nung der Kno­chen im Mit­tel­fuß. Die Kine­ma­tik des Fußes wird wesent­lich durch das OSG und das USG bestimmt. Der Talus hat hier eine beson­de­re Posi­ti­on, weil er an bei­den Gelen­ken betei­ligt ist und kei­nen eige­nen Mus­kel­an­satz auf­weist. Die Mus­keln über­span­nen den Talus, wes­halb die ein­wir­ken­den Kräf­te mus­ku­lär kom­pen­siert wer­den müs­sen. Zudem kreu­zen sich bei­de Ach­sen im Sinus Tar­si, was die gekop­pel­te Funk­tio­na­li­tät im Sin­ne eines aty­pi­schen Kar­dan-Gelen­kes beschreibt⁶.

Patho­lo­gi­sche Bewe­gungs­mus­ter und ent­spre­chen­de Gegenmaßnahmen

Die Ein­tei­lung der Gang­ty­pen nach der N.A.P. Gait Clas­si­fi­ca­ti­on beschreibt bei­spiels­wei­se vier ver­schie­de­ne Gang­ty­pen. Die vor­lie­gen­de Talus­fehl­stel­lung in Inver­si­on und Ever­si­on erfor­dert eine kom­pen­sa­to­ri­sche hyper­ex­ten­dier­te oder hyper­fek­tier­te Knie­stel­lung des betrof­fe­nen Pati­en­ten⁷. Auch wenn die patho­lo­gi­schen Mus­kel­funk­tio­nen hier ursäch­lich ver­ant­wort­lich sind, wird ersicht­lich, dass die kor­rek­te sta­ti­sche Basis des Talus erfor­der­lich ist, um eine effi­zi­en­te Fort­be­we­gung zu ermög­li­chen. Phy­sio­the­ra­peu­ti­sche, aber auch orthe­ti­sche Inter­ven­tio­nen bie­ten hier gute Möglichkeiten.

Qua­li­fi­zier­te Phy­sio­the­ra­pie nutzt die Fer­sen­kipp­he­bel­funk­ti­on zur Schu­lung natür­li­cher Gang­mus­ter. Bei die­sem Deh­nungs­ver­kür­zungs­zy­klus wer­den kor­rek­te neu­ro­na­le Ver­bin­dun­gen im Gehirn durch moto­ri­sche Impul­se gestärkt und spe­zi­fi­sche Mus­kel­grup­pen durch geziel­tes Kraft­trai­ning gekräftigt.

Kine­ma­tisch erzeugt die Boden­re­ak­ti­ons­kraft wäh­rend des „initi­al cont­act“ und der „loa­ding respon­se“ ein Dreh­mo­ment im OSG, was zu Rota­tio­nen im OSG und um den Fer­sen­auf­tritts­punkt führt und eine pas­si­ve Plant­ar­fle­xi­on des Fußes bewirkt. Kine­tisch arbei­tet der Mus­cu­lus tibia­lis ante­rior exzen­trisch gegen die­se Plant­ar­fle­xi­on, wodurch ein kon­trol­lier­tes Absen­ken des Fußes ermög­licht wird.

Für die Inte­gra­ti­on der Fer­sen­kipp­he­bel­funk­ti­on in eine Ank­le-Foot-Ortho­sis (AFO), wel­che eine Win­kel­ver­än­de­rung im OSG initi­iert, sind ein ein­stell­ba­rer Wider­stand in der Plant­ar­fle­xi­on und ein phy­sio­lo­gi­scher Dreh­punkt erfor­der­lich. Eine sol­che AFO unter­stützt die phy­sio­the­ra­peu­ti­schen Zie­le im All­tag durch kon­trol­lier­te pas­si­ve Plant­ar­fle­xi­on⁸.

Kann ein mecha­ni­sches Gelenk die feh­len­den Mus­kel­funk­tio­nen ersetzen?

In der all­täg­li­chen Bewe­gung arbei­ten kon­zen­tri­sche und exzen­tri­sche Kon­trak­tio­nen wech­sel­sei­tig zusam­men, um kom­ple­xe und prä­zi­se Bewe­gun­gen zu ermög­li­chen. Die Begrif­fe „kon­zen­trisch“, „iso­me­trisch“ und „exzen­trisch“ bezie­hen sich auf ver­schie­de­ne Pha­sen der mus­ku­lä­ren Kon­trak­ti­on und Deh­nung wäh­rend der Bewe­gung (Abb. 4).

Kon­zen­tri­sche Mus­kel­kon­trak­ti­on: Kon­zen­tri­sche Kon­trak­ti­on tritt auf, wenn sich der Mus­kel aktiv ver­kürzt, um eine Bewe­gung aus­zu­füh­ren. Im Fal­le der Unter­schen­kel­mus­ku­la­tur, beson­ders der Waden­mus­ku­la­tur, geschieht dies wäh­rend einer akti­ven Plant­ar­fle­xi­on in Ter­mi­nal Stance/Pre Swing. Wäh­rend die­ser Bewe­gung zie­hen sich die Mus­kel­fa­sern zusam­men, und der Mus­kel wird kür­zer⁹.

Iso­me­tri­sche Mus­kel­kon­trak­ti­on: Iso­me­tri­sche Mus­kel­kon­trak­ti­on tritt auf, wenn der Mus­kel sta­tisch kon­tra­hiert und die anlie­gen­den Kör­per­tei­le kei­ne Win­kel­ver­än­de­rung voll­zie­hen. Es wird also Kraft auf­ge­baut, ohne die Län­ge des Mus­kels zu ver­än­dern. Die­se ent­steht bei­spiels­wei­se wäh­rend der Kokon­trak­ti­on der Unter­schen­kel­mus­ku­la­tur im sta­bi­len Stand unter Belastung.

Exzen­tri­sche Mus­kel­kon­trak­ti­on: Exzen­tri­sche Kon­trak­ti­on tritt auf, wenn sich der Mus­kel kon­ti­nu­ier­lich ver­län­gert, wäh­rend er einer Belas­tung wider­steht. Im Fal­le der prä­ti­bia­len Mus­ku­la­tur geschieht dies beim Absen­ken des Fußes wäh­rend Ini­tal Contact/Loading Respon­se¹⁰.

Rele­van­te Mus­kel­ak­ti­vi­tä­ten im mensch­li­chen Gangzyklus

Für die Gesamt­be­ur­tei­lung der auf­tre­ten­den kon­zen­tri­schen und exzen­tri­schen Mus­kel­funk­tio­nen gibt die Über­sicht der EMG-Ampli­tu­den mit den Spit­zen­wer­ten der rele­van­ten Mus­kel­grup­pen aus der Abbil­dung 5 einen guten Über­blick. Um eine ent­spre­chen­de Ver­sor­gungs­stra­te­gie auf­zu­bau­en, defi­nie­ren die patho­lo­gi­schen Mus­kel­de­fi­zi­te hier die tech­ni­sche Anfor­de­rung an die Patientenversorgung.

Als Bei­spiel wird die Dor­sal­ex­ten­si­on des OSG in Mid stance/Terminal stance durch äuße­re Boden­re­ak­ti­ons­kräf­te ein­ge­lei­tet. Die stärks­ten Momen­te im OSG ent­ste­hen vor dem soge­nann­ten Push-off in der ter­mi­na­len Stand­pha­se (Abb. 6). Dem ent­ge­gen ste­hen die kom­pen­sa­to­ri­schen Kräf­te der Unter­schen­kel­mus­ku­la­tur (Mus­kel­kon­trak­ti­on), wel­che in dem Leis­tungs­dia­gramm (Abb. 7) dar­ge­stellt wer­den. Hier wird ersicht­lich, dass ein ent­spre­chen­des Dreh­mo­ment immer eine ant­ago­nis­ti­sche Gegen­kraft benö­tigt, um das nöti­ge Kräf­te­gleich­ge­wicht wiederherzustellen.

Zwi­schen­fa­zit

Der­zei­ti­ge mecha­ni­sche Orthe­sen-Gelenk­sys­te­me kön­nen die exzen­tri­sche Mus­kel­funk­ti­on gut unter­stüt­zen und patho­lo­gi­sche Bewe­gungs­aus­schlä­ge begren­zen. Die­se sto­ßen beim Aus­gleich der kon­zen­tri­schen Akti­vi­tät aber an ihre Gren­zen. Die dyna­mi­sche Rück­füh­rung geht kon­struktiv immer zurück auf den ein­ge­stell­ten Null­punkt des Gelen­kes, was in bestimm­ten Gang­pha­sen nicht phy­sio­lo­gisch ist. Zu nen­nen ist hier bei­spiels­wei­se die ter­mi­na­le Stand­pha­se. Die kon­zen­tri­sche Funk­ti­on der Wade erfor­dert hier im Norm­bereich eine Win­kel­ver­än­de­rung im OSG von 10° Dor­sal­ex­ten­si­on auf 15° Plant­ar­fle­xi­on, um den nöti­gen Push-off zu generieren.

Ent­wick­lung eines neu­ar­ti­gen Orthesengelenkes

Stand der Technik

Im Rah­men des Ver­bund­for­schungs­vor­ha­bens „Flex­Or“ (ZF 4451701AK7) des Zen­tra­len Inno­va­ti­ons­pro­gramms Mit­tel­stand (ZIM), geför­dert durch das Bun­des­mi­nis­te­ri­um für Wirt­schaft und Kli­ma­schutz (BMWK), wur­de die Ent­wick­lung eines neu­ar­ti­gen Orthe­sen­ge­lenks initi­iert. Dabei wur­de zunächst der Stand der Tech­nik untersucht.

Die gän­gi­gen Knö­chel­ge­lenk­kon­struk­tio­nen haben, mit weni­gen Aus­nah­men, ihren Ein­satz im Aus­gleich bei Funk­ti­ons­stö­run­gen im OSG. Hier tre­ten bekann­ter­wei­se die größ­ten Kräf­te und Win­kel­ver­än­de­run­gen auf, wel­che für den effek­ti­ven Vor­trieb im Gang­zy­klus ent­schei­dend sind. Bei den Kon­struk­tio­nen han­delt es sich um soge­nann­te Dou­ble-Action-Gelen­ke, bei wel­chen Bewe­gungs­aus­schlä­ge und die Belas­tungs­wi­der­stän­de unab­hän­gig in bei­de Bewe­gungs­rich­tun­gen von­ein­an­der jus­tiert wer­den kön­nen (Abb. 8).

Bei her­kömm­li­chen Gelenk­sys­te­men sind die Feder­pa­ke­te jeweils in einem bestimm­ten Win­kel zum Sys­tem­fuß­bü­gel ange­ord­net, um die opti­ma­le Auf­nah­me der Kräf­te zu gewähr­leis­ten. Im Gang­zy­klus kom­pri­miert der Fuß­bü­gel die ent­spre­chen­den Feder­ele­men­te in der Stand­pha­se und sorgt bei Ent­las­tung für eine Abga­be der gespei­cher­ten Energie.

Fol­gen­de Merk­ma­le an bestehen­den Gelenk­sys­te­men konn­ten fest­ge­stellt werden:

• Hohe Mas­se und gro­ßer Bau­raum: Aktu­el­le Orthe­sen­ge­len­ke wei­sen eine hohe Struk­tur­mas­se und einen ver­gleichs­wei­sen gro­ßen Bau­raum auf. Dies resul­tiert u. a. aus den bio­me­cha­ni­schen Anfor­de­run­gen, wie dem Errei­chen einer hohen Rück­stell­kraft. Durch den vor­ran­gi­gen Ein­satz von zum Teil mas­si­ven Schrau­ben- bzw. Tel­ler­fe­dern aus Stahl sind hier­für ent­spre­chend gro­ße Bau­räu­me not­wen­dig und resul­tie­ren in einer hohen Bauteilmasse.
• Geräusch­in­ten­si­ve Nut­zung: Aktu­el­le Orthe­sen­ge­len­ke besit­zen bau­wei­sen­be­dingt akus­tisch wahr­nehm­ba­re Betriebs­ge­räu­sche. Beson­ders hin­sicht­lich der Akzep­tanz der Pati­en­ten (Com­pli­ance) stellt dies eine gro­ße Ein­schrän­kung dar.
• Kom­ple­xe Bau­wei­sen: Der Ein­satz von Tel­ler- und Schrau­ben­fe­der­kon­zep­ten erfor­dert eine auf­wen­di­ge kon­struk­ti­ve Umset­zung. Dies wie­der­um bedingt den Ein­satz von Exper­ten für eine teil­wei­se auf­wen­di­ge und zeit­in­ten­si­ve Mon­ta­ge und Jus­ta­ge bestehen­der Sys­te­me. So kön­nen Jus­ta­gen an vor­han­de­ne Sys­te­me teil­wei­se nur durch Ver­stel­lung inner­halb der Feder­ein­heit erreicht wer­den, wodurch eine feh­ler­haf­te Ein­stel­lung der Kom­po­nen­ten begüns­tigt wer­den kann.

Anfor­de­run­gen an ein neu­es Federgelenk

Für die Ent­wick­lung eines neu­en Gelenk­an­sat­zes wur­den hier­aus fol­gen­de Ziel­stel­lun­gen abgeleitet:

• Ver­bes­ser­te Com­pli­ance: Eine ver­bes­ser­te Akzep­tanz bei den Trä­gern von Bein­or­the­sen soll durch die Mini­mie­rung des Bau­raums und der Struk­tur­mas­se erreicht wer­den. Gleich­zei­tig soll ein neu­es Gelenk mög­lichst mini­ma­le Geräusch­emis­sio­nen aufweisen.
• Ein­fa­che Bau­wei­se: Der neue Gelenk­me­cha­nis­mus soll mög­lichst ein­fach mon­tier­bar, war­tungs­arm und idea­ler­wei­se über eine ein­fa­che Jus­ta­ge ver­fü­gen. Die Anzahl an not­wen­di­gen Bau­tei­len soll auf ein Mini­mum redu­ziert wer­den. Den der­zei­ti­gen Stan­dards bzgl. der Ver­mei­dung von Klemm­ge­fah­ren und der Ver­wen­dung eta­blier­ter Sys­tem­brei­ten soll dar­über hin­aus ent­spro­chen werden.
• Ange­streb­ter Funk­ti­ons­um­fang: Das neue Gelenk soll mög­lichst über eine vol­le Feder­kraft bei vol­ler Ran­ge-of-Moti­on ver­fü­gen. Das heißt, dass unab­hän­gig von der Feder­kraft ein Aus­schlag von 20° in jede Bewe­gungs­rich­tung (Plantarflexion/Dorsalextension) mög­lich sein soll. Die Beweg­lich­keit soll zudem mit jus­tier­ba­ren Anschlä­gen nach­träg­lich ein­ge­schränkt wer­den kön­nen. Dar­über hin­aus soll auch der Gelenk­win­kel (Ran­ge of Moti­on) bis zur voll­stän­di­gen Blo­ckie­rung des Bewe­gungs­aus­schlags ver­stell­bar sein. Dies ist not­wen­dig, um im Fal­le einer Sta­tus­ver­än­de­rung oder einer gering­fü­gi­gen Stel­lungs­kor­rek­tur nach­bes­sern zu kön­nen, jedoch ohne dabei die Federn unter­schied­lich vor­zu­span­nen, sodass stets der maxi­ma­le Feder­weg zur Ver­fü­gung steht.

Kon­struk­ti­ons­be­schrei­bung des neu­ar­ti­gen Knöchelgelenks

Zunächst aus­ge­hend von einem Schrau­ben­fe­der­an­satz stell­te sich im Ver­lauf der Ent­wick­lung ein Kon­struk­ti­ons­prin­zip auf Basis von Blatt­fe­dern als vor­teil­haft her­aus. Blatt­fe­dern kön­nen sowohl platz­spa­rend als auch unter Ein­satz alter­na­ti­ver Werk­stof­fe rea­li­siert wer­den, wodurch eine deut­li­che Sen­kung von Bau­raum und Struk­tur­mas­se erzielt wer­den kann.

Werk­stoff­aus­wahl: Metal­le und Verbundwerkstoffe

Für hoch­be­las­te­te Bau­tei­le hat sich Stahl als Werk­stoff für inge­nieur­tech­ni­sche Auf­ga­ben eta­bliert, da er her­aus­ra­gen­de mecha­ni­sche Eigen­schaf­ten besitzt. Zuneh­mend wer­den jedoch Stahl und auch Leicht­me­tall­le­gie­run­gen durch Ver­bund­werk­stof­fe, bestehend aus einer Ver­stär­kungs­fa­ser und einer Kunst­stoff­ma­trix, wie koh­len­stoff­fa­ser­ver­stärk­ter Kunst­stoff (CFK) oder glas­fa­ser­ver­stärk­ter Kunst­stoff (GFK), ersetzt. Vor allem bei Leicht­bau­an­wen­dun­gen spie­len die mecha­ni­schen Kenn­wer­te für Stei­fig­keit und Fes­tig­keit eine ent­schei­den­de Rol­le. Bezo­gen auf die Werk­stoff­dich­te über­tref­fen die­se soge­nann­ten spe­zi­fi­schen Kenn­wer­te bei einer Betrach­tung des Werk­stoffs in Faser­rich­tung bei­spiels­wei­se für CFK die Stei­fig­keit (Elas­ti­zi­täts­mo­dul) von Feder­stahl um mehr als das Zwei­ein­halb­fa­che. Hin­sicht­lich der Belast­bar­keit (Zug­fes­tig­keit) wird die­ser Wert sogar über das Vier­ein­halb­fa­che über­trof­fen (Tab. 1). Die­ses Eigen­schafts­pro­fil kann gezielt genutzt wer­den, um die Bau­teil­mas­se signi­fi­kant zu ver­rin­gern. Dar­über hin­aus bie­ten Ver­bund­werk­stof­fe gegen­über Stahl und Alu­mi­ni­um­le­gie­run­gen wei­te­re Vor­tei­le, wie etwa deut­lich bes­se­re Kor­ro­si­ons­be­stän­dig­keit und in bestimm­ten Fäl­len sogar eine Wider­stands­fä­hig­keit gegen­über Materialermüdung.

Jedoch stellt der Ein­satz von Ver­bund­werk­stof­fen den Anwen­der auch vor beson­de­re Her­aus­for­de­run­gen. Eine ver­gleichs­wei­se gerin­ge Här­te begüns­tigt die Abra­si­on. Außer­dem sind umfang­rei­che Kennt­nis­se zum stark aniso­tro­pen (rich­tungs­ab­hän­gi­gen) Werk­stoff­ver­hal­ten, zur Ver­ar­bei­tung und zur Recy­cling­fä­hig­keit des Werk­stoffs notwendig.

Aus die­sem Grund wer­den sowohl Blatt­fe­der­kon­zep­te auf Basis von Metal­len als auch Ver­bund­werk­stof­fen unter­sucht. Bedingt durch das Kon­struk­ti­ons­prin­zip ist sogar eine Kom­bi­na­ti­on unter­schied­li­cher Werk­stof­fe inner­halb eines Blatt­fe­der­pa­kets realisierbar.

Die Inno­va­ti­on: Blatt­fe­der ver­sus Schrau­ben- und Tellerfeder

Dem neu ent­wi­ckel­ten Orthe­sen­ge­lenk wur­de die Bezeich­nung Car­bon­Flex (CF) gege­ben, die auf den mög­li­chen Ein­satz von Car­bon­fe­dern hin­weist. Bei dem neu­ar­ti­gen Feder­sys­tem funk­tio­niert der Fuß­bü­gel wie ein Pen­del, wel­ches die vor­ge­spann­ten Blatt­fe­dern aus­lenkt. Die Feder­blatt­sta­pel neh­men Bewe­gungs­en­er­gie auf und geben die­se bei Ent­las­tung wie­der ab.

Durch die Anord­nung der Blatt­fe­dern im Ver­lauf der Sys­tem­schie­nen kann das Gelenk deut­lich schma­ler gestal­tet wer­den. Die Vor­span­nung der Feder­sta­pel sorgt zudem für einen har­mo­ni­schen Über­gang in der Be- und Ent­las­tungs­pha­se des Gan­ges, was zusätz­lich zu einer Redu­zie­rung der Geräusch­ent­wick­lung führt. In Abbil­dung 9 sind Schnitt­an­sich­ten des CF-Gelenks für zwei unter­schied­li­che Aus­len­kun­gen dargestellt.

Die Stei­fig­keit der Feder­pa­ke­te kann über die Kom­bi­na­ti­on ver­schie­de­ner CFK, GFK und Metall­fe­dern indi­vi­du­ell ein­ge­stellt wer­den und ist abhän­gig von dem jewei­li­gen Bedarf des Pati­en­ten. Über distal ange­ord­ne­ten Schrau­ben kann der Ran­ge of Moti­on im OSG bis zur Blo­ckie­rung der jewei­li­gen Bewe­gungs­rich­tung ein­ge­schränkt werden.

Bei voll­stän­di­ger Ent­fer­nung der Ein­stell­schrau­ben ist eine maxi­ma­le Aus­len­kung von 20° in jeder Bewe­gungs­rich­tung mög­lich. Die­se wird begrenzt durch die Stei­fig­keit der ein­ge­setz­ten Federpakete.

Der eigent­li­che Kor­pus des Gelen­kes besteht aus einer Titan­le­gie­rung und ist ledig­lich aus zwei Tei­len auf­ge­baut (Abb. 10). Die Mas­se des Gehäu­ses konn­te mit­hil­fe einer FEM(Finite-Elementen-Methode)-simulationsgestützten Topo­lo­gie­op­ti­mie­rung und eines addi­ti­ven Her­stel­lungs­ver­fah­rens deut­lich redu­ziert wer­den. Deckel und Gehäu­se wie­gen zusam­men nur rund 90 g.

Die Fer­ti­gung erfolgt addi­tiv qua­si abfall­frei im DLMS(Direct-Metal-Laser-Sintering)-Verfahren, einem laser­ba­sier­ten Pul­ver­betts­in­ter­ver­fah­ren. Über­schüs­si­ges Mate­ri­al wird auf­ge­fan­gen und wiederverwendet.

Mecha­nisch ver­fügt das Gehäu­se über eine Auf­nah­me des Fuß­bü­gels distal und des Sys­te­man­kers pro­xi­mal. Die Sys­tem­fe­dern wer­den mit­hil­fe des Metall­de­ckels in den Kor­pus ein­ge­führt und unter Vor­span­nung fixiert.

Auf der Rück­sei­te der Gelenk­kon­struk­ti­on befin­det sich eine exzen­tri­sche Ver­stel­lung, wel­che es erlaubt, nach­träg­lich die Posi­ti­on der Absatz­hö­he zu jus­tie­ren, ohne dabei die Feder­pa­ke­te zu kom­pri­mie­ren. Somit kön­nen Auf­bau­feh­ler oder Schuh­ver­än­de­run­gen mit einer Ver­stell­bar­keit von maxi­mal 10° in jede Bewe­gungs­rich­tung aus­ge­gli­chen wer­den.  Der Sys­te­man­ker wird zusätz­lich von zwei Maden­schrau­ben fixiert, nach­dem die Win­kel­ein­stel­lung vor­ge­nom­men wor­den ist.

Unter­su­chung der Eigen­schafts­pro­fi­le ver­schie­de­ner Gelenksysteme

Um das mecha­ni­sche Ver­hal­ten des neu ent­wi­ckel­ten Blatt­fe­der­ge­lenks zu bewer­ten und mit den am Markt ver­füg­ba­ren Kon­zep­ten zu ver­glei­chen, wur­den trans­la­to­ri­sche Mes­sun­gen ent­lang der sagit­ta­len Bewe­gungs­ebe­ne durch­ge­führt. Hier­für wur­de ein spe­zi­ell für die Kali­brier­prü­fung von Orthe­sen­ge­len­ken ent­wi­ckel­ter Prüf­stand ein­ge­setzt (Abb. 11).

Neben dem Car­bon­Flex-Gelenk mit einer mitt­le­ren Rück­stell­kraft wur­den noch wei­te­re Dou­ble-Action-Gelen­ke, wie oben beschrie­ben und in Abbil­dung 11 sche­ma­tisch dar­ge­stellt, mit Rück­stell­kräf­ten von „extra stark“ bis „extra weich“ expe­ri­men­tell unter­sucht. Die Aus­len­kung erfolg­te in posi­ti­ver und nega­ti­ver Rich­tung bis zu einer maxi­ma­len spe­zi­fi­schen Kraft von ca. ± 12 N/Nm bzw. einem maxi­ma­len Dreh­win­kel von ± 15° – je nach Stei­fig­keit des Gelenksystems.

Das Dia­gramm in Abbil­dung 12 zeigt das qua­li­ta­ti­ve Ver­hal­ten anhand von Kenn­kur­ven der gemes­se­nen spe­zi­fi­schen Kraft und des Dreh­win­kels für je ein Dou­ble-Action-Gelenk mit Schrau­ben­fe­der (weich) bzw. mit Tel­ler­fe­der (stark) sowie das Car­bon­Flex-Gelenk mit mit­tel­star­ker Rück­stell­kraft. Alle drei Gelenk­va­ri­an­ten wei­sen nach einem hier nicht dar­ge­stell­ten Anlauf­ver­hal­ten deut­li­che Hys­te­re­se­ef­fek­te auf. Das heißt, dass ein Teil der in den Federn gespei­cher­ten poten­zi­el­len Ener­gie in der Rück­stell­pha­se in Wär­me umge­wan­delt wird. Die­se Ener­gie­um­wand­lung resul­tiert mit hoher Wahr­schein­lich­keit aus kon­struk­ti­ons­be­ding­ten Rei­bungs­ef­fek­ten der ein­ge­setz­ten Feder­ele­men­te bzw. der Stellglieder.

Ein bemer­kens­wer­ter Unter­schied der unter­such­ten Gelenk­ty­pen ist jedoch, dass die Vari­an­ten mit Blatt­fe­dern eine glo­ba­le Hys­te­re­se auf­wei­sen. Eine weni­ger aus­ge­präg­te, aber dafür um die Null­stel­lung des Gelenks her­um auf­tre­ten­de Hys­te­re­se kann bei Gelenk­ty­pen mit Spi­ral­fe­dern beob­ach­tet wer­den. Dafür ver­hal­ten sich die­se bei grö­ße­ren Aus­len­kun­gen line­ar bzw. mit einer nur gerin­gen Hys­te­re­se. Im Gegen­satz hier­zu zeigt das Car­bon­Flex-Sys­tem­ge­lenk mit Blatt­fe­dern gera­de beim Null­durch­gang ein vor­ran­gig linea­res Ver­hal­ten und neigt erst bei grö­ße­ren Aus­len­kun­gen zu einem nicht­li­nea­ren Ver­hal­ten in Ver­bin­dung mit einer Energiedissipation.

Dies resul­tiert wahr­schein­lich aus der Gestal­tung des Blatt­fe­der­pa­kets, bei dem mit zuneh­men­der Aus­len­kung die außen­lie­gen­den Federn mit bean­sprucht und aus­ge­lenkt wer­den, was eine zuneh­men­de Rei­bung her­vor­ruft. Der deut­lich aus­ge­präg­te linea­re Anstieg beim Last­wech­sel von einem Blatt­fe­der­pa­ket zum ande­ren kann unter ande­rem als Ursa­che für eine gerin­ge­re Geräusch­ent­wick­lung beim Ein­satz des Car­bon­Flex-Sys­tem­ge­lenks ange­nom­men werden.

Zusam­men­fas­sung

Das vor­ge­stell­te neu­ar­ti­ge und in Abbil­dung 13 dar­ge­stell­te Orthe­sen­ge­lenk Car­bon­Flex basiert auf einem für Orthe­sen­ge­len­ke neu­ar­ti­gen Blatt­fe­der­prin­zip. Durch den Ein­satz von Leicht­bau­ver­bund­werk­stof­fen für die Blatt­fe­dern und eine nume­risch opti­mier­te Gehäu­se­kon­struk­ti­on ist eine Mas­sen­ein­spa­rung von bis zu 50 % gegen­über bereits am Markt eta­blier­ten Pro­duk­ten erreichbar.

Die Geräusch­ent­wick­lung konn­te deut­lich redu­ziert wer­den. Begrün­den lässt sich die­ses Ver­hal­ten sehr wahr­schein­lich mit einem geän­der­ten Ver­hal­ten beim Auf­la­den der Blatt­fe­der­pa­ke­te beim Null­durch­gang gegen­über bekann­ten Systemen.

Durch die geschlos­se­ne und auf ein Mini­mum an Kom­po­nen­ten redu­zier­te Bau­wei­se konn­te ein Schutz vor Schmutz­par­ti­keln erreicht wer­den. Der Fuß­bü­gel läuft zwi­schen zwei Tef­lon­schei­ben, um den Ver­schleiß auf ein Mini­mum zu redu­zie­ren. Die Feder­pa­ke­te, Bol­zen und Gleit­schei­ben müs­sen aktu­ell auf­grund der star­ken Belas­tung der Funk­ti­ons­bau­tei­le nach ca. sechs Mona­ten gewech­selt werden.

Die schlan­ke Bau­wei­se, wel­che durch die neu­ar­ti­ge Feder­kon­struk­ti­on mög­lich wird, ver­bes­sert die Tra­ge­ei­gen­schaf­ten im kon­fek­tio­nier­ten Schuh­werk deut­lich. Die Kon­zep­ti­on des Gelenks erfolg­te ana­log zu bekann­ten Sys­te­men, pri­mär auf einer Sys­tem­brei­te von 16 mm. Wei­te­re Sys­tem­brei­ten wer­den der­zeit entwickelt.

Die Mon­ta­ge ist ein­fach, schnell und redu­ziert poten­zi­el­le Mon­ta­ge­feh­ler. Die Feder­pa­ke­te wer­den vor­mon­tiert gelie­fert und kön­nen je nach Bedarf in das Sys­tem ein­ge­setzt werden.

Die nach­träg­li­che Jus­tie­rung über den Exzen­ter funk­tio­niert ein­wand­frei, beson­ders im Ver­lauf der dyna­mi­schen Anpro­be. Auch wenn die Win­kel­ver­än­de­rung nicht im Dreh­punkt des Knö­chel­ge­len­kes statt­fin­det, ent­steht kein Shif­ting im Bereich der kör­per­na­hen Anla­ge­flä­chen der Orthe­se. Der Exzen­ter muss nach erfolg­ter Jus­tie­rung wie­der fixiert wer­den und soll­te sich in der Defi­ni­tiv­ver­sor­gung mög­lichst in Neu­tral­stel­lung befinden.

Der Kor­pus ermög­licht eine Aus­len­kung des Gelenk­win­kels von 20° in jede Bewe­gungs­rich­tung. Die maxi­ma­le Win­kel­ver­än­de­rung hängt stark von den Stei­fig­kei­ten der jewei­li­gen Feder­pa­ke­te ab. Das Bie­ge­ver­hal­ten ist sehr dyna­misch und wird von den Pati­en­ten posi­tiv wahrgenommen.

Die Ent­wick­lung der Feder­ele­men­te des Gelen­kes stell­te ins­ge­samt die größ­te Her­aus­for­de­rung dar. Aktu­ell wer­den unter­schied­li­che Blatt­fe­der­va­ri­an­ten bzgl. ihres maxi­ma­len Stei­fig­keits- und Aus­len­kungs­ver­hal­tens unter­sucht sowie ver­schie­de­ne Ver­schleiß- und Dau­er­fes­tig­keits­un­ter­su­chun­gen durchgeführt.

Fazit und Ausblick

Das neu ent­wi­ckel­te Car­bon­Flex-Orthe­sen­ge­lenk zeich­net sich durch eine mode­ra­te Bau­teil­grö­ße, eine gerin­ge Mas­se, ein ein­fa­ches Kon­struk­ti­ons­prin­zip und har­mo­ni­sche Eigen­schaf­ten der ein­ge­setz­ten Blatt­fe­der­tech­no­lo­gie aus. Es lässt sich pro­blem­los in den meis­ten kon­fek­tio­nier­ten Schu­hen tra­gen. Das Kon­struk­ti­ons­prin­zip bie­tet ein hohes Poten­zi­al zur Ent­wick­lung unter­schied­li­cher Gelenk­grö­ßen, Vari­an­ten mit ver­schie­de­nen Rück­stell­kräf­ten und was­ser­fes­ter Bauteilgruppen.

Im Mit­tel­punkt wei­te­rer Ent­wick­lun­gen ste­hen das Errei­chen hoher Feder­wi­der­stän­de, wie sie bis­her von ande­ren Sys­tem­ge­len­ken erzielt wer­den, sowie die Erhö­hung des maxi­mal mög­li­chen Aus­len­kungs­win­kels. Hier­für exis­tie­ren bereits ver­schie­de­ne Lösungs­an­sät­ze für die Blatt­fe­der­kon­struk­ti­on, wel­che aktu­ell durch sta­ti­sche und dyna­mi­sche Unter­su­chun­gen eva­lu­iert werden.

Dank­sa­gun­gen:

Die Autoren bedan­ken sich bei Dr. Inke Marie Albert­sen, Lei­tung des Gang­la­bors der Schön Kli­nik in Ham­burg-Eil­beck, für die Erhe­bung, Aus­wer­tung und Inter­pre­ta­ti­on der ers­ten Test­ver­su­che mit der neu­en Gelenk­kon­struk­ti­on. Des Wei­te­ren dan­ken wir Harald Mel­chi­or, Mats Ole Schulz und Lenn­art Kosel von der Fir­ma Reha-OT Lüne­burg für die Auf­be­rei­tung kine­ti­scher Daten sowie die Dar­stel­lung, Ent­wick­lung und Erfin­dung der kon­struk­ti­ven Bau­teil­geo­me­trie. Eben­falls möch­ten wir uns beim Inge­nieur­bü­ro Krem­ser für die Unter­stüt­zung im Bereich Konstruk­tion und Pro­dukt­zu­las­sung bedan­ken, außer­dem Dipl.-Ing. Ema­nu­el Rich­ter und Dipl.-Ing. Jona­than Andrä für die durch­ge­führ­ten nume­ri­schen Berechnungen.

För­der­hin­weis:

Die hier vor­ge­stell­ten Ergeb­nis­se stam­men aus For­schungs- und Ent­wick­lungs­pro­jek­ten, die mit Mit­teln des Bun­des­mi­nis­te­ri­ums für Wirt­schaft und Ener­gie (BMWi) im Rah­men der ZIM-For­schungs­pro­jek­te „Flex­Or“ (För­der­kenn­zei­chen ZF4028409AK7) unter­stützt wurden.

Inter­es­sen­kon­flikt:

Der Autor Nor­man Fitt­kau ist für den Her­stel­ler von „Car­bon­Flex“ tätig.

Die Autoren:
Nor­man Fitt­kau, OTM
Callu­na Tec GmbH
An der Roten Blei­che 1
21335 Lüne­burg
fittkau@callunatec.de

Prof. Dr.-Ing. Axel Spickenheuer
Leib­niz-Insti­tut für Poly­mer­for­schung Dres­den e. V.
Hohe Str. 6
01069 Dres­den

Begut­ach­te­ter Beitrag/reviewed paper

Tab. 1  Mecha­ni­sche Kenn­wer­te von aus­ge­wähl­ten Kon­struk­ti­ons­werk­stof­fen (vgl. Gute­kunst + Co. KG. Feder­stahl­dräh­te und ihre Eigen­schaf­ten. Blog Federn­shop https://blog.federnshop.com/federstahldraht/; Zugriff am 13.11.2024 sowie Mat­Web. Stain­less Steel, Alu­mi­num 7075-T6 T651 / Tei­jin Ten­ax® E HTS40 F13 / E‑Glass Fiber, Gene­ric. https://www.matweb.com/search/DataSheet.aspx?MatGUID=0cf4755fe3094810963eaa74fe812895; Zugriff am 12.11.2024) .

Quel­len­ver­zeich­nis

1. Hoh­mann D, Uhl­ig R. Ortho­pä­di­sche Tech­nik. 9. Auf­la­ge. Stutt­gart: Thie­me, 2005 
2. Hoh­mann D, Uhl­ig R. Ortho­pä­di­sche Tech­nik. 9. Auf­la­ge. Stutt­gart: Thie­me, 2005 
3. Götz-Neu­mann K. Gehen ver­ste­hen. Gang­ana­ly­se in der Phy­sio­the­ra­pie. 4. Auf­la­ge. Stutt­gart: Thie­me, 2016 
4. Hoh­mann D, Uhl­ig R. Ortho­pä­di­sche Tech­nik. 9. Auf­la­ge. Stutt­gart: Thie­me, 2005 
5. Brinck­mann P, Fro­bin W, Leiv­seth G, Drer­up B. Ortho­pä­di­sche Bio­me­cha­nik. Wis­sen­schaft­li­che Schrif­ten der WWU Müns­ter, Rei­he V, Band 2. Müns­ter: West­fä­li­sche Wil­helms-Uni­ver­si­tät, 2012 
6. Brinck­mann P, Fro­bin W, Leiv­seth G, Drer­up B. Ortho­pä­di­sche Bio­me­cha­nik. Wis­sen­schaft­li­che Schrif­ten der WWU Müns­ter, Rei­he V, Band 2. Müns­ter: West­fä­li­sche Wil­helms-Uni­ver­si­tät, 2012 
7. Horst R (Hrsg.). N.A.P. – The­ra­pie­ren in der Neu­ro­or­tho­pä­die. Stutt­gart: Thie­me, 2011 
8. Horst R. Moto­ri­sches Stra­te­gie­trai­ning und PNF. Stutt­gart: Thie­me, 2009 
9. Götz-Neu­mann K. Gehen ver­ste­hen. Gang­ana­ly­se in der Phy­sio­the­ra­pie. 4. Auf­la­ge. Stutt­gart: Thie­me, 2016 
10. Götz-Neu­mann K. Gehen ver­ste­hen. Gang­ana­ly­se in der Phy­sio­the­ra­pie. 4. Auf­la­ge. Stutt­gart: Thie­me, 2016