Mög­lich­kei­ten und Limi­ta­tio­nen des Ein­sat­zes pro­the­sen­in­te­grier­ter Gang­ana­ly­se­tech­no­lo­gie in der trans­ti­bia­len Pro­the­tik – Eine Aus­wahl ers­ter Studienergebnisse

G. Fiedler
Mobile Ganganalyse ist eine vielversprechende Option in der Beinprothetik, da die nötige Sensortechnik direkt in die Struktur der künstlichen Gliedmaße integriert werden kann. Mit dem zunehmenden Aufkommen kommerziell angebotener Sensormodule für diesen Einsatzzweck stellt sich die Frage nach deren Verwendbarkeit in der orthopädietechnischen Praxis. Im vorliegenden Artikel werden die Möglichkeiten und Grenzen dieser Technologie am Beispiel einiger ausgewählter erster Forschungsergebnisse diskutiert.

Ein­lei­tung

Instru­men­tier­te Gang­ana­ly­se in der Pro­the­sen­tech­nik ist seit lan­ger Zeit ein wich­ti­ges Werk­zeug in der For­schungs- und Ent­wick­lungs­ar­beit. In der täg­li­chen Pra­xis spielt sie hin­ge­gen kaum eine Rol­le, was in ers­ter Linie sicher­lich am erheb­li­chen finan­zi­el­len und zeit­li­chen Auf­wand liegt, der mit der Imple­men­tie­rung tech­ni­scher Gang­ana­ly­se­me­tho­den ver­bun­den ist. Ein wei­te­rer Gesichts­punkt ist der ver­gleichs­wei­se gerin­ge effek­ti­ve Nut­zen, der die­ser Tech­nik im Bereich der Pati­en­ten­ver­sor­gung zuge­spro­chen wird. Die Begut­ach­tung und Opti­mie­rung von Pro­the­sen­pass­form und ‑sta­tik gehört zu den wesent­li­chen fach­li­chen Fähig­kei­ten des Ortho­pä­die-Tech­ni­kers und wird daher im All­ge­mei­nen auch ohne tech­ni­sche Hilfs­mit­tel sehr erfolg­reich durch­ge­führt. Basie­rend auf visu­el­ler Über­prü­fung des Gang­bil­des und Rück­mel­dun­gen sei­tens des Pati­en­ten las­sen sich vie­le Gang­un­re­gel­mä­ßig­kei­ten iden­ti­fi­zie­ren und ent­spre­chend beheben.

Den­noch hat die­se tra­di­tio­nel­le Metho­de ihre Gren­zen: Der Augen­schein gibt ledig­lich Auf­schluss über die Gang­ki­ne­ma­tik, also die Bewe­gun­gen an sich. Die wir­ken­den Kräf­te, die die­sen Bewe­gun­gen zugrun­de lie­gen, sind selbst unsicht­bar und kön­nen bes­ten­falls indi­rekt abge­lei­tet wer­den. Wei­ter­hin unter­liegt die Gang­be­ur­tei­lung im Anpro­be­raum mög­li­cher­wei­se der Beschrän­kung, dass nur ein Teil des übli­chen Bewe­gungs- und Akti­vi­täts­spek­trums des jewei­li­gen Pati­en­ten in Betracht gezo­gen wird. In vie­len Fäl­len ist es wahr­schein­lich, dass sich das Gang­bild ändert, sobald etwa Boden­un­eben­hei­ten auf­tre­ten, das Schuh­werk gewech­selt wird, sich Licht- oder Wind­ver­hält­nis­se ändern, Aus­ge­ruhtheit oder Auf­merk­sam­keit nach­las­sen oder auch nur die Beob­ach­tungs­si­tua­ti­on vor­bei ist.

Ein rela­tiv neu­er Ansatz, die­sen Pro­ble­men zu begeg­nen, ist die pro­the­sen­in­te­grier­te Gang­ana­ly­se 1 2 3. Obwohl bereits seit vie­len Jah­ren minia­tu­ri­sier­te Mess­tech­nik in elek­tro­nisch gesteu­er­ten Pro­the­sen­pas­s­tei­len ver­baut wird und expe­ri­men­tel­le Sen­so­ren in der For­schung ver­wen­det wer­den, sind spe­zia­li­sier­te Sen­sor­mo­du­le für die mobi­le Gang­ana­ly­se erst seit Kur­zem in Form kom­mer­zi­ell ver­mark­te­ter Pro­duk­te erhält­lich. Ein tech­nisch sehr ambi­tio­nier­tes Bei­spiel dar­un­ter ist das iPecs Lab (RTC Elec­tro­nics, Dex­ter, Michi­gan, USA). In des­sen kom­pak­tem Gehäu­se sind ins­ge­samt 32 Dehn­mess­strei­fen unter­ge­bracht, wel­che die akku­ra­te Erfas­sung von Kräf­ten und Dreh­mo­men­ten in allen drei Raum­di­men­sio­nen garan­tie­ren sol­len 4. Nach ent­spre­chen­der Kali­brie­rung kön­nen aus die­sen Infor­ma­tio­nen und der Posi­ti­on des Sen­sors auch die Gelenk­mo­men­te für die benach­bar­ten Gelenk­ach­sen berech­net wer­den. Das Mess­mo­dul kann mit gerin­gem tech­ni­schem Auf­wand in Pro­the­sen ein­ge­baut wer­den (Abb. 1), solan­ge die­se in der geläu­fi­gen Endo­ske­lettal­bau­wei­se gefer­tigt sind und den nöti­gen Raum zwi­schen Schaft­en­de und Fuß­ad­ap­ter bie­ten. Daten kön­nen dann mit Fre­quen­zen bis zu 850 Hz erfasst und über Funk an einen Com­pu­ter über­mit­telt werden.

Die mobi­le Mess­tech­nik ermög­licht die Unter­su­chung von Fra­ge­stel­lun­gen, die mit kon­ven­tio­nel­ler Gang­ana­ly­se nicht oder nur unter erhöh­tem tech­ni­schem Auf­wand adres­siert wer­den kön­nen 5. Die­ses Argu­ment soll im Fol­gen­den anhand eini­ger Bei­spie­le aus ent­spre­chen­den vom Autor durch­ge­führ­ten Stu­di­en dis­ku­tiert werden.

Mes­sung der Schrittvariabilität

Eines der wich­tigs­ten Anlie­gen in der Reha­bi­li­ta­ti­on von Per­so­nen mit Ampu­ta­tio­nen der unte­ren Extre­mi­tät ist die Ver­mei­dung von Stür­zen 6 und ähn­li­chen Unfäl­len, die auf eine beein­träch­tig­te Geh­sta­bi­li­tät zurück­ge­führt wer­den kön­nen. Somit ist die erreich­te Geh­sta­bi­li­tät von gro­ßem Inter­es­se in der Beur­tei­lung des funk­tio­na­len Ergeb­nis­ses einer pro­the­ti­schen Ver­sor­gung. Schritt-für-Schritt-Varia­bi­li­tät wird oft als Maß für Geh­sta­bi­li­tät ver­wen­det 7 8. In den beschränk­ten Räum­lich­kei­ten von Gang­la­bors kön­nen aller­dings nur weni­ge auf­ein­an­der­fol­gen­de Schrit­te erfasst und ana­ly­siert wer­den, was die Aus­sa­ge­kraft der in Stu­di­en gewon­ne­nen Erkennt­nis­se limi­tiert. Die Inte­gra­ti­on dedi­zier­ter Sen­so­ren direkt in die Struk­tur des Bewe­gungs­ap­pa­ra­tes ermög­licht hin­ge­gen die kon­ti­nu­ier­li­che Erfas­sung von Infor­ma­tio­nen zu Schritt­fre­quenz, bila­te­ra­ler Gewichts­ver­tei­lung sowie Knie- und Knö­chel­mo­men­ten über lan­ge Zeit­räu­me (Abb. 2).

Die­se Mess­va­ria­blen las­sen sich anschlie­ßend hin­sicht­lich ihrer Vari­anz über meh­re­re Schrit­te hin aus­wer­ten 9. Die unge­wöhn­li­che Fül­le an ver­füg­ba­ren Daten, die durch die­se kon­ti­nu­ier­li­che Mes­sung erfasst wer­den, muss redu­ziert wer­den, um die rele­van­ten Infor­ma­tio­nen zu extra­hie­ren. Ein Blick auf die ver­schie­de­nen Gang­ana­ly­se-Kur­ven erlaubt eine ers­te ein­fa­che Sequen­zie­rung des Bewe­gungs­ab­lau­fes. Abbil­dung 3 zeigt einen ein­mi­nü­ti­gen Aus­schnitt aus dem Mess­da­ten­satz für die axia­le Kraft, also die Kraft längs des Schien­beins, gemes­sen wäh­rend einer Gang­ana­ly­se­sit­zung. Die­se Varia­ble ist beson­ders gut ver­wert­bar zur Iden­ti­fi­ka­ti­on von Akti­vi­tä­ten. Es ist leicht erkenn­bar, wann der Test­pa­ti­ent saß (wenn die gemes­se­ne axia­le Kraft nahe des Null­ni­veaus ver­harrt), ging (peri­odisch wie­der­hol­te typi­sche ver­ti­ka­le Kraft-Kur­ve) und stand (Kraft ver­harrt bei etwa 50 % des Maxi­mal­wer­tes). Neben der jewei­li­gen Gang­pha­se, Schritt­fre­quenz und Schritt­va­ri­anz erlaubt die Mess­va­ria­ble „Axi­al­kraft” auch Auf­schluss über das Ter­rain. Die Form der Kur­ve ändert sich bei­spiels­wei­se mar­kant beim Trep­pen­stei­gen, wobei sich je nach Rich­tung die Signa­tur ändert.

Die­se Daten illus­trie­ren, dass, um in vol­lem Umfang die Mög­lich­kei­ten der pro­the­sen­in­te­grier­ten Mess­tech­no­lo­gie zu nut­zen, effi­zi­en­te Algo­rith­men für die Reduk­ti­on und Ana­ly­se der beträcht­li­chen Men­ge an Infor­ma­tio­nen und für deren Über­set­zung in nütz­li­che quan­ti­ta­ti­ve Metri­ken in der kli­ni­schen Anwen­dung ent­wi­ckelt wer­den müs­sen. Eine prak­ti­sche Beschrän­kung der Tech­no­lo­gie ist dadurch gege­ben, dass nur Daten von der Pro­the­sen­sei­te gesam­melt wer­den kön­nen. Vor­aus­ge­setzt, es sol­len kei­ne wei­te­ren mobi­len Sen­so­ren auf der kon­tralate­ra­len Sei­te instal­liert wer­den, steht nur die Hälf­te der Infor­ma­tio­nen, die mit kon­ven­tio­nel­len Gang­ana­ly­se­me­tho­den erfasst wer­den, zur Ver­fü­gung, wäh­rend die ande­re Hälf­te durch geeig­ne­te Berech­nun­gen und Annah­men extra­po­liert wer­den muss. Infor­ma­tio­nen zur Kör­per­ge­wichts­ver­tei­lung zum Bei­spiel kön­nen von uni­la­te­ra­len Daten abge­lei­tet wer­den, solan­ge das Gesamt­kör­per­ge­wicht bekannt ist.

Eine inter­es­san­te Varia­ble, die direkt gemes­sen wer­den kann, ist hin­ge­gen die Schritt-für-Schritt-Vari­anz als Indi­ka­tor für Gang­un­si­cher­heit. Die­se Infor­ma­ti­on kann ver­wen­det wer­den, um die Ver­schrei­bung pas­sen­der Pro­the­sen­kom­po­nen­ten, aber auch Geh­trai­ning und The­ra­pie zu opti­mie­ren, mit dem Ziel der Redu­zie­rung von Stur­zun­fäl­len und einer Ver­bes­se­rung der Gang­ef­fi­zi­enz sowie letzt­end­lich des Ver­trau­ens der Anwen­der in ihre Prothesen.

In einer ent­spre­chen­den Pilot­stu­die 10 wur­den Daten von acht akti­ven und erfah­re­nen Unter­schen­kel­pro­the­sen­trä­gern (Durch­schnitts­al­ter: 51 Jah­re ± 12 Jah­re, Gewicht: 90 kg ± 19 kg, Kör­per­grö­ße: 181 cm ± 9 cm) ana­ly­siert, um den Ein­fluss kör­per­li­cher Erschöp­fung auf die Schritt­va­ria­bi­li­tät zu unter­su­chen. Zum direk­ten Ver­gleich der Schritt­un­ter­schie­de inner­halb einer Ver­suchs­be­din­gung mit den Unter­schie­den zwi­schen den ver­schie­de­nen Bedin­gun­gen wur­den F‑Statistiken für jeden ein­zel­nen Pro­ban­den berech­net. Bei 37 % der Ver­suchs­teil­neh­mer waren hier signi­fi­kan­te Unter­schie­de in der Axi­al­kraft zu fin­den (p < 0,05).

Kine­ti­sche Ana­ly­se des Treppensteigens

Die Fähig­keit, Trep­pen zu über­win­den, ist ein wich­ti­ges Reha­bi­li­ta­ti­ons­ziel, da Trep­pen zu den Hin­der­nis­sen gehö­ren, die in vie­len All­tags­si­tua­tio­nen vor­kom­men. Ver­schie­de­ne Behin­de­run­gen sind dafür bekannt, die Effi­zi­enz des Trep­pen­stei­gens zu redu­zie­ren, was nicht nur den Mobi­li­täts- und Akti­ons­ra­di­us von Pati­en­ten ein­schränkt, son­dern wegen der hohen Ver­let­zungs­ge­fahr bei Trep­pen­un­fäl­len auch ein erns­tes Sicher­heits­pro­blem dar­stellt. Dem­entspre­chend wur­de die Bio­me­cha­nik des Trepp­auf- und ‑abstiegs bereits in gro­ßem Umfang unter­sucht 11. Ent­spre­chen­de Stu­di­en, die ver­schie­de­ne Test­po­pu­la­tio­nen, ein­schließ­lich älte­rer Men­schen 12, Pati­en­ten mit Kreuz­band-Rekon­struk­ti­on 13 und mit Bein­am­pu­ta­tio­nen 14 15 16, unter­such­ten, ver­wen­de­ten Kraft­mess­plat­ten, die in eine oder meh­re­re Trep­pen­stu­fen inte­griert wur­den. Die­ser Test­auf­bau limi­tiert die Anzahl der Schrit­te, die zur Aus­wer­tung zur Ver­fü­gung ste­hen, und begrenzt damit unter ande­rem Infor­ma­tio­nen zur Schritt-für-Schritt-Vari­anz. Prothesen­integrierte Sen­so­ren ermög­li­chen hin­ge­gen eine kon­ti­nu­ier­li­che Daten­er­he­bung über voll­stän­di­ge Trep­pen­auf­gän­ge hinweg.

Eine ent­spre­chen­de Pilot­stu­die mit zehn Pro­ban­den unter­such­te Kine­tik-Varia­blen des Trep­pen­gangs mit­tels iPecs-Sen­so­ren, die in die jewei­li­gen ursprüng­li­chen Pro­the­sen der Teil­neh­mer ein­ge­baut wur­den 17. Daten wur­den kon­ti­nu­ier­lich erfasst, wäh­rend die Pro­ban­den eine 13-stu­fi­ge Trep­pe mit beid­sei­ti­gen Gelän­dern auf und ab gin­gen. Geh­ge­schwin­dig­keit und Tech­nik sowie Gelän­der­be­nut­zung wur­den dabei nicht vor­ge­ge­ben. Knie- und Sprung­ge­lenk­mo­men­te wur­den über die mitt­le­ren 11 Stu­fen der Trep­pe getrennt für Auf- und Abstieg aus­ge­wer­tet. Mit­tel­wer­te und Stan­dard­ab­wei­chun­gen in Schritt­dau­er, Axi­al­kraft­ma­xi­mum, Knö­chel­mo­ment­ma­xi­mum und Knie­mo­ment­ma­xi­mum wur­den zwi­schen Pro­ban­den ver­gli­chen, die kei­nen Hand­lauf, einen Hand­lauf oder bei­de Hand­läu­fe ver­wen­det hat­ten (Abb. 4). Pro­ban­den, die eine Prä­fe­renz anga­ben, wur­den gebe­ten, die Trep­pe außer­dem unter Ver­wen­dung des Hand­laufs auf der nicht bevor­zug­ten Sei­te zu bestei­gen. Auf sta­tis­ti­sche Signi­fi­kanz­tests wur­de ange­sichts der klei­nen Stich­pro­ben­grö­ße und der Viel­zahl der Mess­va­ria­blen verzichtet.

Die Ergeb­nis­se zei­gen, dass die Ver­wen­dung eines Hand­laufs beim Trep­pen­stei­gen die auf das Kör­per­ge­wicht nor­ma­li­sier­te maxi­ma­le Axi­al­kraft im Schien­bein-Seg­ment um fast 50 % im Ver­gleich zum frei­hän­di­gen Gehen redu­ziert. Wur­den bei­de Hand­läu­fe gleich­zei­tig ver­wen­det, ver­rin­ger­te sich die Kraft um 39 % beim Treppa­bund um 8 % beim Treppaufgehen.

Die Vari­anz in Axi­al­kraft und Gelenk­mo­men­ten zwi­schen auf­ein­an­der­fol­gen­den Schrit­ten war erheb­lich, mit Stan­dard­ab­wei­chun­gen von 10 bis 20 % der Maxi­mal­wer­te. Die Vari­anz war am gerings­ten bei Ver­wen­dung des bevor­zug­ten Hand­laufs und am größ­ten bei Ver­wen­dung bei­der Hand­läu­fe gleich­zei­tig. Aller­dings ver­rin­ger­te sich die Schritt­dau­er, wenn bei­de Hand­läu­fe ver­wen­det wurden.

Kine­tik-Daten vom Trep­pen­stei­gen zei­gen, wel­che Stra­te­gie der jewei­li­ge Pro­band ver­wen­det (alter­nie­ren­des Stei­gen resul­tiert in einer typi­schen Signa­tur in der Kur­ve des Knö­chel­ge­lenk­mo­ments), ob ein Hand­lauf ver­wen­det wur­de (Kraft­spit­zen sind deut­lich höher ohne Hand­lauf­nut­zung) und ob es zu gefähr­li­chen Situa­tio­nen kam (aus­ge­drückt durch eine unge­wöhn­li­che Schritt-für-Schritt-Vari­anz). Ers­te Ergeb­nis­se legen nahe, dass vor allem die Vari­anz im Knie­mo­ment steigt, wenn der Hand­lauf auf der gegen­über­lie­gen­den Sei­te der Pro­the­se ver­wen­det wird. Eine mög­li­che Erklä­rung ist eine unein­heit­li­che seit­li­che Plat­zie­rung des Pro­the­sen­fu­ßes, wie sie nur auf der wand­ab­ge­wand­ten Sei­te der Trep­pe mög­lich ist.

Bei der Wahl des Hand­lau­fes spielt ver­mut­lich die bevor­zug­te Hand eine wich­ti­ge­re Rol­le als das bevor­zug­te Bein. Die ermit­tel­ten Unter­schie­de vor allem in der Knie­mo­ment­va­ri­anz deu­ten aller­dings dar­auf hin, dass bei ent­spre­chend dia­gnos­ti­zier­ter Sturz­an­fäl­lig­keit die Ver­wen­dung des pro­the­sen­sei­ti­gen Hand­laufs emp­feh­lens­wert ist, unab­hän­gig von der Hän­dig­keit. Die Ver­wen­dung des gegen­über­lie­gen­den Hand­laufs schien all­ge­mein die Geh­ge­schwin­dig­keit zu ver­rin­gern, vor allem beim Trepp­ab­stei­gen, und die gemes­se­nen Knieund Sprung­ge­lenk­mo­men­te beim Trepp­auf­stei­gen zu erhöhen.

Gang­ana­ly­se bei Pati­en­ten mit bila­te­ra­len Amputationen

Gang­ana­ly­sen bei beid­sei­ti­gem Glied­ma­ßen­ver­lust der unte­ren Extre­mi­tät wur­den bis­lang nur in rela­tiv klei­nem Umfang in der For­schungs­li­te­ra­tur dis­ku­tiert. Ein Grund dafür ist sicher­lich die ver­gleichs­wei­se gerin­ge Inzi­denz­ra­te von Dop­pelam­pu­ta­tio­nen, für wel­che gleich­wohl – zumin­dest im Fall trans­ti­bia­ler Ampu­ta­tio­nen – eine pro­the­ti­sche Reha­bi­li­ta­ti­on oft viel­ver­spre­chend ist. Ein wei­te­res Pro­blem bei der kon­ven­tio­nel­len Gang­ana­ly­se mit die­ser Pati­en­ten­grup­pe ist die erhöh­te Schwie­rig­keit, akku­ra­te Kine­tik­da­ten zu erfas­sen: Eine ten­den­zi­ell gerin­ge­re Geh­ge­schwin­dig­keit, eine kür­ze­re Schritt­län­ge, eine stär­ke­re Nut­zung von Geh­hil­fen und eine höhe­re Erschöp­fungs­ra­te limi­tie­ren die Zahl der Schrit­te, die ein­wand­frei mit Hil­fe von Kraft­mess­plat­ten erfasst wer­den kön­nen. Die Vor­tei­le pro­the­sen­in­te­grier­ter Sen­so­ren fal­len dadurch stär­ker ins Gewicht. Zusätz­lich erlaubt der Son­der­fall, dass bei­de Bei­ne mit Mess­zel­len aus­ge­stat­tet wer­den kön­nen, nun auch eine direk­te Mes­sung aller beim Gehen auf­tre­ten­den Boden­re­ak­ti­ons­kräf­te und damit die Unter­su­chung von Symmetrievariablen.

Anders als bei Pati­en­ten mit uni­la­te­ra­ler Ampu­ta­ti­on, bei denen in der Regel ange­nom­men wird, dass das erhal­te­ne Bein einen Groß­teil der bio­me­cha­ni­schen Arbeit des Gehens über­nimmt, ist in Fäl­len beid­sei­ti­ger Ampu­ta­ti­on oft nicht ohne Wei­te­res zu erken­nen, ob eine Sei­te stär­ker, belast­ba­rer oder bes­ser steu­er­bar ist. Die­se Infor­ma­ti­on jedoch könn­te nicht nur bei der Aus­wahl und Anpas­sung von Pro­the­sen­pas­s­tei­len hel­fen, son­dern auch bei der Ver­schrei­bung von Ergo­the­ra­pie­maß­nah­men und mög­li­cher­wei­se emp­foh­le­nen Geh­hil­fen. Die Eigen­schaf­ten von Pro­the­sen­fü­ßen zum Bei­spiel las­sen sich all­ge­mein auf einem Kon­ti­nu­um zwi­schen Stei­fig­keit und Fle­xi­bi­li­tät ein­ord­nen: Wäh­rend auf der einen Sei­te Ener­gie­spei­che­rung und ‑rück­ga­be dem Inter­es­se eines dyna­mi­schen und effi­zi­en­ten Gang­bil­des die­nen, ste­hen auf der ande­ren Sei­te soli­der Boden­kon­takt und Redu­zie­rung der Knö­chel­mo­men­te im Vor­der­grund, was för­der­lich für die Standsta­bi­li­tät und somit die (emp­fun­de­ne) Sicher­heit des Pati­en­ten ist 18. Wenn nach bila­te­ra­len Ampu­ta­tio­nen bei­de Bei­ne nicht iden­tisch sind, mag es also ange­zeigt sein, für bei­de Sei­ten ver­schie­de­ne Fuß­pas­s­tei­le oder gar ande­re funk­tio­nel­le Tei­le wie Tor­si­ons­ad­ap­ter oder Stoß­dämp­fer zu verschreiben.

Eine Vor­stu­die unter­such­te die Gang­a­sym­me­trie bei Per­so­nen mit bila­te­ra­len Unter­schen­kel­am­pu­ta­tio­nen 19, indem ver­schie­de­ne Gang­va­ria­blen mit iPecs-Modu­len gemes­sen und anschlie­ßend paar­wei­se zwi­schen den Bei­nen ver­gli­chen wur­den 20. Zwei männ­li­che Pro­ban­den (A: 61 Jah­re, 170 cm, 84 kg; B: 32 Jah­re, 173 cm, 81 kg) nah­men an die­ser Stu­die teil. Zusätz­lich zur Erfas­sung anthro­po­me­tri­scher Daten wur­de der Ampu­tee Acti­vi­ty Score 21 ermit­telt. Bei­de Stu­di­en­teil­neh­mer waren akti­ve Pro­the­sen­trä­ger mit mehr­jäh­ri­ger Erfah­rung in der Benut­zung ihrer Pro­the­sen. Bei­de waren mit PTB-Schäf­ten mit Sili­kon­liner und Kar­bon­fü­ßen versorgt.

Kon­ti­nu­ier­li­che iPecs-Mes­sun­gen wur­den durch­ge­führt, wäh­rend die Pro­ban­den jeweils in ihrer bevor­zug­ten Geschwin­dig­keit in ver­schie­de­nen Umge­bun­gen (inner­halb des Labors, auf Trep­pen, im Frei­en) gin­gen. Para­me­ter wie Standphasendauer‑, Knie- und Sprung­ge­lenk­mo­men­te sowie Axi­al­kraft wur­den über die jewei­li­gen Teil­ab­schnit­te gemit­telt. Bei­de Bei­ne wur­den mit­tels MANOVA ver­gli­chen. Für jede Auf­ga­be wur­de die mitt­le­re Dif­fe­renz der Para­me­ter basie­rend auf einer Stich­pro­be von jeweils 10 Schrit­ten berech­net. Abbil­dung 5 zeigt die bila­te­ra­len Dif­fe­ren­zen zwi­schen den Bei­nen beim Gehen in der Ebe­ne für einen der Probanden.

Die Ergeb­nis­se deu­ten dar­auf hin, dass der Gang von Per­so­nen mit bila­te­ra­len Ampu­ta­tio­nen durch erheb­li­che Asym­me­trie in vie­len Gang­pa­ra­me­tern cha­rak­te­ri­siert ist. Die Para­me­ter, für die die­se Asym­me­trien ermit­telt wur­den, sind indi­vi­du­ell ver­schie­den: Pro­band A hat­te eine sehr sym­me­tri­sche Gewichts­ver­tei­lung wäh­rend des Gehens, aber signi­fi­kan­te bila­te­ra­le Unter­schie­de in Stand­pha­sen­dau­er (p < 0,001), Knie­mo­ment (p = 0,004) und Knö­chel­mo­ment (p < 0,001). Beim Gehen im Frei­en waren die ver­ti­ka­len Kräf­te weni­ger aus­ge­gli­chen, aber die Unter­schie­de in Knie­mo­ment und Stand­pha­sen­dau­er gerin­ger. Unab­hän­gig von der Gang­um­ge­bung war das Knö­chel­mo­ment im rech­ten Fuß grö­ßer als im lin­ken (p = 0,011). Die bila­te­ra­len Unter­schie­de bei Pro­band B waren ins­ge­samt bestän­di­ger. Vor allem war das Knie­mo­ment in allen Situa­tio­nen im rech­ten Bein höher als im lin­ken (p = 0,021). Laut eige­ner Aus­sa­ge ver­lässt sich die­ser Pati­ent bevor­zugt auf sein lin­kes Bein, was durch gemes­se­ne höhe­re Kraft­spit­zen beim Gehen in der Ebe­ne für die­se Sei­te (p < 0,001) bestä­tigt zu wer­den scheint. Dass ein grö­ße­res Moment im rech­ten Knie gemes­sen wur­de, könn­te dem­nach damit zusam­men­hän­gen, dass der Ampu­ta­ti­ons­stumpf hier län­ger ist als auf der lin­ken Seite.

Vor­be­halt­lich der Fra­ge, ab wel­chem Aus­maß die ermit­tel­ten bila­te­ra­len Unter­schie­de in der Tat von kli­ni­scher Bedeu­tung sind, mögen die­se Ergeb­nis­se geeig­net sein, die pro­the­ti­sche Ver­sor­gung von Pati­en­ten mit dop­pel­sei­ti­ger Bein­am­pu­ta­ti­on zu optimieren.

Dis­kus­si­on

Die ange­führ­ten Bei­spie­le illus­trie­ren die Anwen­dungs­mög­lich­kei­ten pro­the­sen­in­te­grier­ter Sen­sor­tech­no­lo­gie. Obwohl die Art und Aus­wahl der dis­ku­tier­ten Stu­di­en­ergeb­nis­se kei­ne defi­ni­ti­ven Schluss­fol­ge­run­gen erlaubt, fin­den sich ver­schie­de­ne Hin­wei­se dar­auf, dass der­ar­ti­ge Mess­tech­nik im Bereich der For­schung hel­fen kann, einen Teil der Limi­ta­tio­nen kon­ven­tio­nel­ler Gang­ana­ly­se­me­tho­den zu über­win­den. Ohne auf im Boden ver­an­ker­te Kraft­mess­plat­ten ange­wie­sen zu sein, ver­grö­ßert sich die Stich­pro­ben­grö­ße erheb­lich, wäh­rend uner­wünsch­te Ermü­dungs- oder Beob­ach­ter­ef­fek­te redu­ziert wer­den. Vie­le der hier dis­ku­tier­ten Ansät­ze kön­nen im Prin­zip auch auf die Ober­schen­kel­pro­the­tik über­tra­gen wer­den, was durch die zusätz­li­chen Frei­heits­gra­de der Pro­the­sen­be­we­gung jedoch deut­lich kom­ple­xer ist: Eine ein­zel­ne Kraft­mess­zel­le in der Art des iPecs-Moduls kann nur die Dreh­mo­men­te in den jeweils benach­bar­ten Gelen­ken mes­sen, beim Ein­bau im Pro­the­sen­un­ter­schen­kel also Knö­chel- und Knie­ge­lenk. Soll zusätz­lich auch das – in der trans­fe­mo­ra­len Pro­the­tik bedeut­sa­me – Hüft­mo­ment auf die­se Wei­se erfasst wer­den, muss ein zwei­ter Senor im Prosthe­sen­ober­schen­kel instal­liert werden.

Zu den Schwä­chen die­ser Tech­no­lo­gie gehört die ver­gleichs­wei­se gerin­ge Daten­quan­ti­tät, da nur kine­ti­sche Varia­blen des Pro­the­sen­beins direkt gemes­sen wer­den kön­nen. Das schränkt die Ver­wend­bar­keit für vie­le wis­sen­schaft­li­che Stu­di­en stark ein. Die Ver­wen­dung wei­te­rer mobi­ler Mess­tech­nik­kom­po­nen­ten, um Daten auch vom erhal­te­nen Bein zu mes­sen 22, kann hier Abhil­fe schaf­fen, geht aller­dings mit erhöh­tem tech­ni­schem Auf­wand einher.

Ein wesent­lich bedeut­sa­me­rer Anwen­dungs­be­reich für inte­grier­te Sen­so­ren mag in der kli­ni­schen Pra­xis lie­gen. Die bekann­te Hete­ro­ge­ni­tät in der Grup­pe der Ampu­ta­ti­ons­pa­ti­en­ten führt dazu, dass nur weni­ge wis­sen­schaft­li­che Erkennt­nis­se etwa zur Wir­kung von Pas­s­tei­len, Bet­tungs­sys­te­men oder Auf­bau­ver­än­de­run­gen uni­ver­sell anwend­bar sind. Was für einen Pati­en­ten eine per­fek­te Lösung ist, mag schon beim nächs­ten Pati­en­ten zum Schei­tern ver­ur­teilt sein. Ortho­pä­die-Tech­ni­ker sind daher dar­auf ange­wie­sen, die indi­vi­du­ell ver­schie­de­nen Gege­ben­hei­ten und Ansprü­che ihrer Pati­en­ten zu ana­ly­sie­ren und die jeweils opti­ma­le Ver­sor­gungs­mög­lich­keit zu realisieren.

Ein zuneh­mend wich­ti­ger Aspekt ist zudem die Doku­men­ta­ti­on der Ergeb­nis­se ihrer Arbeit. Bei die­sen Auf­ga­ben kann pro­the­sen­in­te­grier­te Mess­tech­nik von gro­ßem Nut­zen sein. Dies gilt ins­be­son­de­re, wenn es gelingt, die ent­spre­chen­den Sen­sor­mo­du­le im Sin­ne von Minia­tu­ri­sie­rung und Erschwing­lich­keit weiterzuentwickeln.

Dank­sa­gung

Die vor­ge­stell­ten Stu­di­en wur­den durch zwei For­schungs­sti­pen­di­en der Uni­ver­si­ty of Wis­con­sin-Mil­wau­kee (Chancellor’s Award und Stu­dent Rese­arch Grant) ermög­licht. IPecs-Equip­ment wur­de leih­wei­se von Col­le­ge Park Indus­tries zur Ver­fü­gung gestellt.

Der Autor:
Gör­an Fied­ler, PhD, OTM
Assi­stant Professor
Depart­ment of Reha­bi­li­ta­ti­on Sci­ence and Technology
Uni­ver­si­ty of Pittsburgh
Suite 403, Bak­e­ry Square
USA – Pitts­burgh, PA 15206
gfiedler@pitt.edu

Begut­ach­te­ter Beitrag/reviewed paper

Zita­ti­on
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