Osseointegrierte Prothese versus Schaftprothese: Welche Gehfähigkeit erreichen Oberschenkelamputierte?

Ergebnisse: Die Gehgeschwindigkeit der Amputierten mit knochenverankerter Prothese war signifikant die geringste. Die osseointegrierten Amputierten wiesen einen speziellen, von der physiologischen Gehmechanik abweichenden Gehstil auf, der für das Prothesenbein entlastend wirkte. Der Bewegungsapparat der osseointegrierten Amputierten wurde asymmetrischer belastet als der von Schaftprothesenträgern. Die Asymmetrie nahm mit der Geschwindigkeit bei den osseointegrierten Amputierten zu, nicht bei den Amputierten mit Schaftprothesen. Die Stützkraft der osseointegrierten Seite war die geringste, während kontralateral die größten Kräfte gemessen wurden.

Schlussfolgerungen: Oberschenkelamputierten, die eine Schaftprothese wegen Schaftproblemen nicht tragen können, bieten osseointegrierte Prothesen eine wertvolle Alternative zur Schaftversorgung. Amputierten, die einen lasttragfähigen Stumpf und keine Stumpf-Schaft-Probleme haben, die ihre Alltagsaktivitäten wesentlich einschränken, sollte als Versorgung eine Schaftprothese empfohlen werden. Im Einzelfall kann die osseointegrative oder die Schaftprothese die geeignetere Versorgungsvariante sein. Beide haben ihre Berechtigung bei adäquater Indikationsstellung. Die Ergebnisse zur Wiederherstellung der Gehfähigkeit dieser Studie könnten dazu gut nutzbare Argumente sein.

Einleitung

Die Wiederherstellung der Steh- und Gehfähigkeit mit einer Exoprothese gilt als grundlegendes Rehabilitationsziel nach Amputationen an der unteren Extremität. Eine wesentliche Voraussetzung, dieses Ziel zu erreichen, ist eine adäquate Kraftübertragung zwischen der Prothese und dem Amputierten. Seit Jahrhunderten werden dazu Prothesenschäfte gefertigt, die das Stumpfvolumen aufnehmen und zur Kraftübertragung zweckgeformt werden. Dennoch sind nach wie vor nicht alle Beinamputierten mit der aktuellen Schafttechnologie erfolgreich versorgbar. Diesen Amputierten können transkutane osseointegrierte Prothesensysteme (TOPS) eine Alternative bieten. Dabei werden beim Oberschenkelamputierten osseointegrative Implantate im Femur eingebracht, an die über einen perkutanen Austritt am distalen Stumpf die exoprothetischen Komponenten angeschlossen werden¹ ² ³ ⁴ ⁵.

Das Prinzip der knochenfixierten Beinprothese inaugurierte Dr. Richard Brånemark (Göteburg, Schweden) vor über 30 Jahren. Als Erster implantierte er 1990 ein Schraubimplantat aus Titan bei einer beidseitig oberschenkelamputierten Person⁶. Inspiriert von dieser Idee entwickelte Dr. Hans Grundei (Lübeck, Deutschland) ein Pressfit-Implantat aus einer Kobalt-Chrom-Molybdän-Legierung mit einer aus Tripoden bestehenden Oberfläche. 1999 wurde der erste Oberschenkelamputierte mit diesem Implantat von Dr. Karl-Hermann Staubach versorgt⁷ ⁸ ⁹. Bis August 2002 wurden von Staubach zwei weitere Amputierte operiert. Seit 2003 widmet sich Dr. Horst-Heinrich Aschoff intensiv dieser Versorgungsmethode und operierte bisher mehr als 350 Amputierte. Die ständige Verbesserung der speziellen Chirurgie, der Rehabilitation, der alltäglichen Pflege des Stomas und der Implantate führte zu bemerkenswerten Versorgungsergebnissen. Die damit einhergehenden Versorgungserfolge überzeugten über die letzten Jahrzehnte und führten so in weiteren Ländern zu Versorgungszentren. Nach einem zunächst zurückhaltenden Beginn mit wenigen Patienten nimmt seit über zehn Jahren die Anzahl jährlich versorgter Beinamputierter progressiv zu. Weltweit tragen inzwischen mehr als 2500 Amputierte eine osseointegrierte Prothese¹⁰ ¹¹.

Welchen Nutzen Amputierte von der Knochenverankerung der Beinprothese im Alltag haben, wird in der inzwischen umfangreichen Literatur einheitlich belegt. Von TOPS profitieren insbesondere Amputierte, die wegen Stumpfproblemen erheblich in ihrer Mobilität eingeschränkt sind oder eine schaftgeführte Prothese nicht tragen können. Als Vorteile zur vorher getragenen Schaftprothese wurden für diese Amputierten, auf der Basis von Fragebögen, ermittelt¹² ¹³ ¹⁴ ¹⁵ ¹⁶ ¹⁷ ¹⁸ ¹⁹:

einfacheres An- und Ablegen der Prothese
direktere und vom Weichteilanteil des Stumpfes unabhängige Prothesenführung
komfortableres Sitzen
Bewegungsfreiheit im Hüftgelenk
erhöhte Osteoperzeption
größere Mobilität und
insgesamt eine höhere Lebensqualität.

Zunehmend rückt der Vergleich der Versorgungsqualität von erfolgreichen TOPS-Versorgungen mit den Amputierten in den Fokus von Klinik und Wissenschaft, die moderne Schaftprothesen sehr zufrieden tragen. Nachvollziehbar ist das, weil die Vorteile von knochenverankerten Prothesen zweifelsfrei auch Amputierten zugutekämen, die in ihrer Mobilität nicht wegen Stumpf- und Schaftproblemen eingeschränkt sind.

In Publikationen wird die Gleichwertigkeit der Lebensqualität und der Zufriedenheit mit beiden prothetischen Versorgungsarten ausgewiesen²⁰ ²¹. Eine verbesserte Mobilität von Amputierten mit TOPS im Vergleich zu beschwerdefreien Schaftversorgungen wird in den wenigen bisher vorliegenden Arbeiten nicht nachgewiesen²² ²³.

In der Literatur finden sich nur wenige Studien zur Mechanik des Gehens von Amputierten mit TOPS. Die Resultate zur selbstgewählten komfortablen Gehgeschwindigkeit sind widersprüchlich. Osseointegrierte Amputierte gingen schneller als jene mit Schaftversorgungen²⁴, das Gegenteil weisen die Publikationen²⁵ ²⁶ ²⁷ aus, während die Geschwindigkeit beider Gruppen in einer weiteren Studie als gleich ermittelt wurde²⁸. Die Schrittlängendifferenz von amputierter zur kontralateralen Seite reduziert sich bei TOPS signifikant ²⁹, die Spurbreite war bei den Schaftversorgungen größer. Dieser Befund wurde von Kooiman et al. nicht bestätigt ³⁰. Das Bewegungsausmaß der Abduktion der Hüfte bei den TOPS war signifikant größer als bei Schaftversorgungen, sowohl auf der Prothesen- als auch auf der kontralateralen Seite. Die sagittalen Gelenkwinkelverläufe im Gangzyklus weisen keine Unterschiede auf ³¹. Vergleichende Untersuchungen der Kinetik des Gehens sind den Autoren nicht bekannt.

Auch das durch das Wirkungsprinzip postulierte energieeffizientere Gehen mit TOPS konnte nicht bestätigt werden. Die Sauerstoffaufnahme war beim Gehen mit TOPS nicht geringer als bei den Schaftprothesenträgern³² ³³. Aus den Ergebnissen zur kortikalen Aktivität beim Gehen wird abgeleitet, dass differente Aktivitäten zwischen Gesunden und den Oberschenkelamputierten bestehen, jedoch nicht zwischen der kortikalen Aktivität von Amputierten mit TOPS und mit Schaftversorgungen³⁴.

Das Ziel der vorliegenden Publikation ist es, einen Beitrag zur Bewertung der Leistungsfähigkeit der beiden Prinzipien der Prothesenanbindung für das Gehen von Amputierten zu leisten. Hypothetisch wird angenommen, dass durch die osseointegrative Verankerung der Prothese

eine effizientere Kraftübertragung des Prothesenbeins als mit einer Schaftprothese beim Gehen ermöglicht wird
das Gangbild sich dem des Nichtamputierten nähert
die Bodenreaktionskräfte beider Beine eine höhere Symmetrie aufweisen
auch mit modernen Schaftprothesen symptomfrei versorgte Oberschenkelamputierte profitieren und damit aus biomechanischer Perspektive die bisherige Indikation auf diese Amputierten erweitert werden könnte.

Zum Überprüfen der Hypothesen wurden Zeit-Distanz-Parameter und die Bodenreaktionskraft beim Gehen gemessen und analysiert. Die Vertikalbewegung des Körperschwerpunkts als eine wichtige Determinante der Mechanik des Gehens³⁵ wurde direkt aus den Bodenreaktionskräften berechnet.

Methoden

Vertikale Schwerpunktbewegung

Verursachende Kräfte

Die Fortbewegung des Amputierten wird durch die sogenannten äußeren Kräfte verursacht. Beim Gehen bewirken typischerweise zwei Kräfte die Höhenbewegung des Körperschwerpunkts: die Bodenreaktionskraft und das Köpergewicht. Muskelkräfte wirken nur indirekt auf die Fortbewegung. Sie können Bodenreaktionskräfte verursachen, was beispielsweise beim Strecksprung gut nachvollziehbar ist. Die Kräfte der Streckmuskulatur drücken die Füße gegen den Boden, erzeugen dadurch die für den Sprung nötigen Bodenreaktionskräfte. Auch die Kraftentwicklung der Abduktoren des Oberschenkelamputierten erzeugt zur Beckenstabilisierung erhebliche Kräfte zwischen Stumpf und Schaft. Die Fort- oder Höhenbewegung des Amputierten wird jedoch nur beeinflusst, wenn sich die Bodenreaktionskraft durch die Muskelkräfte mitändert.

Die Kraftübertragung zwischen den knöchernen Strukturen der Stütz- und Bewegungsorgane und dem Prothesenschaft erfolgt über dazwischenliegende Weichteile (Abb. 1a). Da das femorale Stumpfende gering endbelastbar ist, bedarf es zusätzlich zur Kraftübertragung zwischen Stumpf und Schaft meist noch der Kraftübertragung zwischen Schaft und dem Becken. Die Kraft über dem proximalen Schaftanteil kann beim Gehen mit längsovalem Schaft bis zu 40 % des Köpergewichts betragen³⁶. Zudem werden die Bewegungsbereiche des Hüftgelenks durch diesen Schaftbereich eingeschränkt.

Mit der ossären Verankerung der Prothese im Femur wird das Hüftgelenk nicht mehr vom proximalen Prothesenschaft umfasst. Das Hüftgelenk behält dadurch die natürlichen Bewegungsmöglichkeiten. Die Stützkraft wird von der Exoprothese über das Implantat direkt an das Skelett geleitet (Abb. 1b). So wird die Prothesennutzung unabhängig vom Weichteilanteil des Stumpfes. Die bei vielen Amputierten typische Volumenschwankung des Stumpfes, das Schwitzen im Schaft oder Haarwurzelentzündungen beeinträchtigen die Prothesennutzung nicht. Die Führung der Prothese wird bei direkter Knochenverbindung präziser möglich als über dazwischenliegende Weichteile.

Berechnung der Höhenbewegung des Körperschwerpunkts

Die zeitabhängige Kraft zur Vertikalbewegung des Körperschwerpunkts F_KSP(t) berechnet sich nach dem Schwerpunktsatz der Mechanik nur aus der Wirkung der äußeren Kräfte zu

F_KSP(t) = { F_Z1(t) + F_Z2(t) } – G (1)

mit dem Körpergewicht G, den Bodenreaktionskräften des Prothesenbeins F_Z1(t) sowie des kontralateralen Beins F_Z2(t). Sogenannte innere Kräfte, wie die Expansionskraft einer Karbonfeder eines Prothesenfußes oder der Widerstand eines Prothesenkniegelenks bei Kniebeugung, tragen nur dann zur Höhenänderung des Körperschwerpunkts bei, wenn sie eine Änderung der Bodenreaktionskraft verursachen, die hier gemessen wurde.

Dividiert man Gleichung (1) durch die Körpermasse m, ergibt sich die Beschleunigung des Körperschwerpunkts zu

a_KSP(t) = F_KSP(t) / m. (2)

Mit Kenntnis der Beschleunigung a_KSP(t) lässt sich mit numerischen Methoden die Höhenbewegung des Schwerpunkts berechnen³⁷. Die Alternative, die Bewegung des Körperschwerpunkts mit kinematischen Daten zu ermitteln, wird wegen erheblicher größerer Ungenauigkeit im Vergleich zur Nutzung der Bodenreaktionskräfte ausgeschlossen. Diese Berechnung erfordert eine Modellbildung, in die somatometrische Kenngrößen als geschätzte Werte einfließen.

Probanden

In die Untersuchung wurden 15 gesunde Personen (NA), neun mit TOPS versorgte aktive (Mobilitätsgrad 3) Oberschenkelamputierte (TF-Osseo) und neun aktive Oberschenkelamputierte (Mobilitätsgrad 3 und 4) mit einer Schaftprothese (TF-Schaft) einbezogen. Im umfangreichen Patientengut der Amputierten mit TOPS konnte kein Amputierter mit dem Mobilitätsgrad 4 identifiziert werden. Da beim ebenerdigen Gehen ohnehin nur Merkmale des Mobilitätsgrades 3 erforderlich sind, werden die Resultate von dieser Differenz nicht beeinflusst. Die Probanden der Gruppe TF-Schaft mussten einen lasttragfähigen Stumpf haben, der keine markanten knöchernen oder sensiblen Stellen aufwies und keinen Weichteilüberschuss hatte. Es wurden nur Amputierte in die Studie eingeschlossen, die einen längsovalen und sehr gut passenden Schaft besaßen. Tabelle 1 zeigt die Probandendaten. Alle Patienten waren einseitig betroffen, hatten keine Erkrankungen am muskuloskelettalen System oder weitere das Gehen beeinträchtigende Begleiterkrankungen. Die Patienten beider Gruppen der Oberschenkelamputierten hatten langjährige Erfahrung mit Schaftprothesen. Die Indikation zur Osseointegration wurde wegen Stumpf-Schaft-Problemen gestellt, die die Patienten in der täglichen Aktivität limitierten. An der Studie nahmen nur Amputierte mit langen oder mittellangen Stümpfen teil (länger als 30 % des Femurs). Patienten der Gruppen TF-Osseo postop und TF-Schaft trugen ihre Prothesen täglich mindestens zwölf Stunden, ohne eine Gehhilfe zu nutzen. Alle Messungen wurden ohne Gehhilfen durchgeführt. Sämtliche Patienten waren vollständig rehabilitiert.

Prothesenkomponenten

Die Prothesen der Amputierten waren ihre individuellen Alltagsversorgungen. Diese wurden im Versorgungsprozess unter Nutzung von Aufbauhilfen justiert. Der Werkstattaufbau der Schaftprothesen erfolgte mit dem L.A.S.A.R. Assembly. Zur statischen Optimierung wurde für alle Amputierten das L.A.S.A.R. Posture benutzt (beide: Ottobock SE & Co.KGaA, Duderstadt, Deutschland). Der Prothesenaufbau erfolgte nach den etablierten Aufbauempfehlungen für Oberschenkelamputierte³⁸ ³⁹. Die Prothesen für die osseointegrierten Patienten wurden nach der in der Literatur beschriebenen Methode justiert⁴⁰. Das implantierte System war die Endo-Exo-Prosthese EEP (ESKA, Lübeck, Deutschland). Tabelle 2 informiert über die Prothesenfüße und Prothesenkniegelenke.

Messmethoden

Die Bodenreaktionskraft wurde mit zwei Kraftmessplatten des Typs 9287A (Kistler Instrumente AG, Winterthur, Schweiz) gemessen, die in der Mitte einer 12 m langen Gehbahn eingebettet waren. Die Bewegung der Patienten wurde mit 12 optoelektronischen Kameras Vicon Bonita (Vicon Motion Systems Ltd., Oxford, Großbritannien) unter Nutzung eines Sets von 17 passiven Markern aufgezeichnet.

Experimentelle Durchführung

Die Probanden wurden instruiert, mit drei unterschiedlichen Geschwindigkeiten zu gehen: zunächst mit ihrer selbstgewählten komfortablen (SSWS), danach mit geringer (langsam) und schließlich mit hoher (schnell) Geschwindigkeit. Für jedes Geschwindigkeitsniveau wurden acht bis zehn gültige Versuche ausgewertet. Diesen gingen jeweils einige Testläufe voraus. Es wurde darauf geachtet, dass die Probanden etwa 20 bis 25 % langsamer beziehungsweise schneller gingen als mit SSWS. Die Gruppe TF-Osseo wurde zu zwei Zeitpunkten gemessen, präoperativ mit der Schaftprothese und ein Jahr postoperativ mit TOPS. Die Teilnehmer der Gruppen NA und TF-Socket kamen einmal zur Ganganalyse.

Parameter

Neben den bei Ganganalysen üblichen Zeit-Distanz-Parametern wurde die Auswertung auf die vertikale Bodenreaktionskraft und die Körperschwerpunktbewegung fokussiert. Die vertikale Bodenreaktionskraft wurde getrennt für beide Beine (F_Z1 und F_Z2 ) gemessen. Die für das Gehen auf horizontalem Untergrund charakteristischen beiden Maxima, das erste Maximum bei Lastübernahme (1. Max) und das zweite in der terminalen Standphase (2. Max), wurden ermittelt.

Die vertikale Bewegung des Körperschwerpunkts _Zs(t) bzw. _Zs(%GZ) wurde nach dem unter „Berechnung der Höhenbewegung des Körperschwerpunkts“ beschriebenen Vorgehen berechnet. Mit dieser numerischen Berechnung ergibt sich auch die Geschwindigkeit des Körperschwerpunkts zu Beginn des Doppelschritts _Vs(0).

Die Bodenreaktionskräfte weisen eine starke und systematische Abhängigkeit von der Gehgeschwindigkeit auf. Deshalb setzt ein direkter Vergleich der Bodenreaktionskräfte und der Höhenbewegung des Körperschwerpunkts der Probandengruppen voraus, dass die Geschwindigkeiten etwa gleich sind. Um diese Voraussetzung zu erfüllen, wurden die Bodenreaktionskräfte der Gruppen NA, TF-Osseo präop und TF-Schaft entsprechend der Geschwindigkeitsrelation linear interpoliert:

NA: F_{Z 1,29m/s} = 0,5 x F_{Z 1,12m/s} + 0,5 x F_{Z 1,46m/s} (3)
TF-Osseo präop: F_{Z 1,28m/s} = 0,3 x F_{Z 1,14m/s} + 0,7 x F_{Z 1,34m/s} (4)
TF-Schaft: F_{Z 1,28m/s} = 0,805 x F_{Z 1,20m/s} + 0,195 x F_{Z 1,61m/s} (5)

Mit Formel (3) wird die vertikale Bodenreaktionskraft F_Z 1,29m/s für die Gruppe NA für eine Geschwindigkeit von 1,29 m/s aus den gemessenen Bodenreaktionskräften F_Z 1,12m/s und F_Z 1,46m/s der Geschwindigkeiten 1,12 m/s und 1,46 m/s berechnet. Die Gewichtung von jeweils 0,5 ergibt sich durch die Differenz der Geschwindigkeiten zu 1,29 m/s mit jeweils 0,17 m/s. Entsprechend werden die Bodenreaktionskräfte F_Z 1,28m/s für die Gruppen TF-Osseo präop und TF-Schaft nach Gleichungen (4) und (5) interpoliert.

Das Verhältnis der Bodenreaktionskräfte wird als Kenngröße für die symmetrische Kraftübertragung der Beine ermittelt und berechnet nach

über den Gangzyklus von 1 bis 60 %. Das Verhältnis F_Z1/F_Z2 = 1 bedeutet, dass beide Beine gleichermaßen zur Schwerpunktbewegung beitragen. Je geringer der Wert wird, desto asymmetrischer verteilt sich die Belastung auf die Beine.

Ergebnisse

Zeit-Distanz-Parameter

Die komfortable selbstgewählte Geschwindigkeit aller Patientengruppen unterschied sich zu den Personen der Vergleichsgruppe (NA) signifikant. Am langsamsten gingen die Patienten TF-Osseo postop. Ihre Geschwindigkeit war signifikant langsamer als die der Amputierten mit Schaftprothesen⁴¹. Der langsame Gang war etwa 24 % im Vergleich zur SSWS (normal) reduziert, die hohe Geschwindigkeit etwa 23 % erhöht (Tab. 3a). Die Schrittlängen waren geschwindigkeitsabhängig: je schneller der Gang, desto länger der Schritt. Der Mittelwert der Seitendifferenz der Schrittlänge betrug bei den Nichtamputierten etwa einen Zentimeter. Bei den Amputierten wies die Prothesenseite den längeren Schritt auf. Die größte Schrittlängendifferenz mit etwa 6 cm wurde bei den Probanden TF-Schaft gemessen (Tab. 3b).

Vertikalkomponente der Bodenreaktionskraft

Kraftverlauf am Prothesenbein

Der Verlauf der Bodenreaktionskraft des Prothesenbeins ist in Abbildung 2 dargestellt. Typisch ist, dass die Bodenreaktionskraft über die Standphase von der Geschwindigkeit abhängt. Eine Ausnahme stellte die Prothesenseite der Gruppe TF-Osseo postop dar (Abb. 2c). Im gemessenen Geschwindigkeitsbereich veränderte sich die Bodenreaktionskraft dieser Seite nicht wesentlich, wohl aber kontralateral. Diese Charakteristik war in dieser Weise typisch für acht der neun Amputierten. Bei gesunden Probanden wurden für beide Seiten sehr ähnliche Verläufe gemessen. Bei den Amputierten wies die kontralaterale Seite höhere Kräfte auf als die betroffene, was sich auch in den Maxima widerspiegelte (Abb. 3).

Kraftmaxima

Die Extremwerte der Bodenreaktionskraft waren stark geschwindigkeitsabhängig (Abb. 3). Das erste Maximum auf der Prothesenseite wie auch auf der kontralateralen Seite wurde größer, wenn die Geschwindigkeit zunahm. Eine Ausnahme stellte der nahezu konstante Wert des ersten Maximums der Prothesenseite der Gruppe TF-Osseo postop dar (Abb. 3a). Das zweite Maximum der Prothesenseite nahm bei den Oberschenkelamputierten nicht mit der Geschwindigkeit zu, wohl aber für die gesunden Probanden (Abb. 3b). Kontralateral nahm das zweite Maximum für die Probanden aller Gruppen mit der Geschwindigkeit zu (Abb. 3d).

Vertikale Bewegung des Körperschwerpunkts bei vergleichbaren Gehgeschwindigkeiten

Vertikalkomponente der Bodenreaktionskraft

Die gemittelten Vertikalkomponenten der Bodenreaktionskraft beider Beine für etwa die gleiche Geschwindigkeit (NA 1,29 m/s, TF-Osseo präop 1,28 m/s, TF-Osseo postop 1,27 m/s TF-Schaft 1,28 m/s) sind in den Abbildungen 4a und 4b dargestellt. In diese Grafik fließen die gemessenen Kräfte der Probanden TF-Osseo postop direkt ein. Die Bodenreaktionskräfte der Gruppen NA, TF-Osseo präop und TF-Schaft wurden nach den Gleichungen (3) bis (5) berechnet. Das Prothesenbein der Amputierten trug weniger Gewicht als das erhaltene Bein. Bei den mit einem Schaft versorgten Oberschenkelamputierten trug das Prothesenbein mehr Gewicht als bei den osseointegrierten Patienten TF-Osseo postop. Die Patienten der TF-Osseo postop Gruppe wiesen die kürzeste Standphasendauer prothesenseitig und die längste kontralateral auf.

Belastungssymmetrie

Das Verhältnis der Bodenreaktionskräfte beider Beine FZ1/FZ2 war geschwindigkeitsabhängig (Abb. 5a). Bei der Gruppe NA nahm die Symmetrie erst bei hohen Geschwindigkeiten ab. Die größte Kraftasymmetrie wurde bei den TF-Osseo-Gruppen gemessen. Sie war präoperativ schon vorhanden und wurde postoperativ als verstärkt ermittelt. In beiden Gruppen nahm die Symmetrie mit der Geschwindigkeit ab, während sie sich bei den Amputierten TF-Schaft nicht reduzierte. Die Belastungssymmetrie beim Gehen mit etwa gleicher Geschwindigkeit zeigt Abbildung 5b.

Vertikalbewegung des Körperschwerpunkts

Für die Gruppe TF-Osseo post wurde das größte vertikale Bewegungsausmaß des Schwerpunkts während des Doppelschritts mit etwa 5 cm, sowohl für die Prothesenseite als auch während der kontralateral Standphase, berechnet (Abb. 6a). Während der Standphase auf dem kontralateralen Bein bewegte sich der Körperschwerpunkt der Gruppe TF-Schaft etwa 1 cm höher als in der Standphase des Prothesenbeins. Die nicht symmetrische Höhenbewegung der TF-Schaft-Gruppe war geringer als die der TF-Osseo-Gruppe. Die Vertikalbewegungen des Körperschwerpunkts von TF-Osseo präop und TF-Schaft sind nicht identisch.

Die berechnete vertikale Geschwindigkeit des Körperschwerpunkts bei Bodenkontakt vs(0) der Gruppe TF-Osseo postop wich von der der anderen drei Gruppen klar ab (Abb. 6b). Der Schwerpunkt bewegte sich bereits zu Beginn des Doppelschritts mit 0,23 m/s nach oben, während Nichtamputierte sich in dieser Gangphase noch nach unten bewegten, ebenso wie die Amputierten mit Schaftversorgungen, jedoch mit geringerer Geschwindigkeit.

Diskussion

In dieser Studie wurde der Fokus der Untersuchung auf die Kinetik des Gehens von drei Probandengruppen gelegt. Aktive Oberschenkelamputierte waren entweder mit einer Schaftprothese versorgt (TF-Schaft) oder die Exoprothese war über ein osseointegriertes Implantat direkt am Femur fixiert (TF-Osseo). Um die Kinetik des Gehens der Oberschenkelamputierten am physiologischen Gang beurteilen zu können, wurden die Daten einer Vergleichsgruppe gesunder Personen (NA) in die Studie eingeschlossen.

Der unstrittige Erfolg der Versorgung von Oberschenkelamputierten mit TOPS, die mit Schaftprothesen nicht zufrieden waren, wirft die Frage auf, ob die Indikation erweitert werden könnte. Führt eine knochenverankerte Prothese bei Amputierten, die bisher mit Schaftprothesen gut versorgt sind, zusätzlich zu den bekannten Vorteilen von TOPS auch zur verbesserten oder zumindest zur gleichwertigen Gehfähigkeit?

Während die Änderung des Rehabilitationszustandes bei der Transformation von einer Schaftprothese zur Knochenverankerung am gleichen Patientenklientel bewertet wird, also intraindividuell ist, kann die Bewertung von erfolgreichen TOPS im Vergleich zu symptomfreien Schaftversorgungen nur mit verschiedenen Patientengruppen erfolgen. Der Vergleich ist also interindividuell. Die Aussagekraft dieses Vergleichs wird wesentlich von den Ein- und Ausschlusskriterien für die Teilnehmer beider Studiengruppen mitbestimmt werden. Dass heterogene Studiengruppen präzise Schlussfolgerungen von Studien maßgeblich limitieren können, selbst bei größerer Anzahl von Teilnehmern, wird auch von Welke et al.⁴² betont. Werden in Publikationen die Passteile meistens noch angeführt, so findet man zur Art des Schaftes, zur Bettungsqualität und Länge des Stumpfes oder zum Prothesenaufbau seltener Hinweise. Für diese Studie wurden Amputierte mit kurzen Stümpfen ausgeschlossen, weil sich die Biomechanik und die Sauerstoffaufnahme von denen unterscheidet, die einen langen oder mittellangen Stumpf haben⁴³ ⁴⁴.

Nur wenige Studien zum interindividuellen Vergleich finden sich in der Literatur. Bei der mittleren Geschwindigkeit einer Gruppe von elf Oberschenkelamputierten, die beschwerdefrei mit einer Schaftprothese aktueller Technik versorgt waren, betrug die SSWS 0,96 m/s und beim 10-mWT 1,53 m/s. Die zweite Gruppe von elf Oberschenkelamputierten mit TOPS ging 0,81 m/s bei SSWS und 1,32 m/s beim 10-mWT [16]. Auch beim Gehen auf einem Laufband wurde für mit einer Schaftprothese gut versorgte zehn Amputierte die SSWS mit 0,94 m/s gemessen, während für die zehn Amputierten mit knochenverankerten Prothesen fünf Jahre postoperativ 0,90 m/s ermittelt wurde⁴⁵. Die Autoren beider Publikationen zeigen den gleichen Trend, dass Oberschenkelamputierte mit TOPS langsamer gehen als mit Schaftprothesen zufriedene Personen. Dieser Unterschied zeigte sich auch in der eigenen Studie und erwies sich als signifikant. In der Publikation⁴⁶ wird der entgegengesetzte Trend beschrieben. Allerdings werden orthopädietechnische Einflussgrößen nicht näher beschrieben.

Messungen der Bodenreaktionskräfte für Amputierte mit knochenverankerten Prothesen sind bisher nicht bekannt. Die Vertikalkomponente der Bodenreaktionskraft und das Körpergewicht verursachen nach dem Schwerpunktsatz der Mechanik die Höhenbewegung des Körperschwerpunkts. Sind beide untere Extremitäten ohne Funktionseinschränkung, was für Gesunde typischerweise zutrifft, werden die Bodenreaktionskräfte beider Beine identisch sein. Bei Patienten mit einseitiger Funktionsveränderung sind seitendifferente Bodenreaktionskräfte zu erwarten. So könnten einseitig geringere Bodenreaktionskräfte ein Indiz für eine reduzierte Fähigkeit zur Kraftübertragung der Extremität sein. Da am Beginn und am Ende des Gangzyklus die Höhe des Körperschwerpunkts beim horizontalen Gehen gleich sein muss, werden deshalb für die kontralaterale Seite höhere Kräfte erwartet als für die von der Amputation betroffene. Mit den Abbildungen 3 und 4 kann dieser Sachverhalt gut nachvollzogen werden.

Die Interpretation der Bodenreaktionskräfte als Maß der Kraftübertragung der unteren Extremität erfordert, die Gehgeschwindigkeit zu berücksichtigen. In Abbildung 3 werden die ersten und zweiten Maxima der Vertikalkomponente in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit dargestellt. Die Patienten TF-Osseo postop wiesen das niedrigste erste Maximum prothesenseitig auf. Es veränderte sich bei diesen Patienten durch Variation der Geschwindigkeit nicht. Die Bodenreaktionskraft blieb konstant auf einem niedrigen Niveau unabhängig von der Geschwindigkeit (Abb. 3a). Ob dieser überraschende Befund durch die Osteoperzeption verursacht wird, eventuell durch eine erhöhte Biegebeanspruchung des Femurs⁴⁷ oder einen bewussten Schongang, lässt sich mit den vorliegenden Daten nicht beantworten. Als Ursache kann eine verminderte Kraftübertragung im Interface zwischen Implantat und Knochen ausgeschlossen werden⁴⁸.

Das zweite Maximum prothesenseitig (Abb. 3b) nahm bei der Gruppen NA mit der Geschwindigkeit zu. Der geringere Betrag und der Sachverhalt, dass dieses Maximum mit der Geschwindigkeit bei den Amputierten nahezu konstant blieb, wurde wahrscheinlich durch den passiven Prothesenfuß verursacht. Die Plantarflexion des oberen Sprunggelenks der natürlichen Extremität in der Abstoßphase, wie sie bei Probanden der Gruppe NA möglich ist, kann durch die knöcherne Verankerung der Exoprothese im Femur nicht kompensiert werden. Die reduzierte prothesenseitige Tragkraft am Ende der Terminalen Standphase und Vorschwungphase bei den Amputierten erfordert deshalb größere Stützkräfte des kontralateralen Beins während der gleichzeitig stattfindenden Lastübernahme (Abb. 3c). Die Maximalwerte während der kontralateralen Abstoßphase erreichten höhere Beträge bei den Amputierten. In dieser Gangphase wurde die kontralaterale Extremität der Patienten TF-Osseo postop am stärksten gefordert (Abb. 3d).

Aktive und beschwerdefrei mit Schaftprothesen versorgte Oberschenkelamputierte gehen zügig typischerweise mit einer Geschwindigkeit von etwa 1,3 m/s. Mit den mittleren Bodenreaktionskräften der Probandengruppen in diesem Geschwindigkeitsbereich ergab sich, dass die Patienten TF-Osseo postop die amputierte Extremität deutlich am geringsten belasteten (Abb. 4). Entsprechend wirkten bei ihnen am kontralateralen Bein die größten Bodenreaktionskräfte. Die Abbildung 5 belegt, dass die asymmetrische Belastung der unteren Extremitäten bei den osseointegrierten Prothesenträgern größer war als bei den Amputierten mit Schaftprothesen und dass die Asymmetrie mit der Gehgeschwindigkeit noch zunahm. Langzeitig könnte ein Risiko oder eine Wahrscheinlichkeit bestehen, dass insbesondere schnell gehende Amputierte Sekundärerkrankungen entwickeln⁴⁹.

Die Höhenbewegung des Körperschwerpunkts der Probanden der Gruppe NA hatte ein Ausmaß von etwa 3,5 cm für beide Beine bei der Geschwindigkeit von 1,3 m/s (Abb. 6). Auch bei den Amputierten TF-Osseo postop fällt die Symmetrie der Höhenbewegung in Standphasen beider Beine auf. Jedoch betrug die Höhenbewegung 5 cm. Die Amputierten mit Schaftprothesen bewegten den Körperschwerpunkt nicht symmetrisch. Während der prothesenseitigen Standphase betrug die Höhenbewegung wie bei den Probanden NA etwa 3,5 cm, dagegen in der kontralateralen Standphase etwa 4,5 cm. Diese Differenz erscheint wegen der bei Schaftprothesen auftretenden Relativbewegung von Stumpf und Prothesenschaft beim Gehen nachvollziehbar⁵⁰. In der prothesenseitigen Standphase drückt das Körpergewicht den Stumpf tiefer in den Schaft, während in der Schwungphase die Prothese durch ihr Gewicht die dehnbaren Weichteile des Stumpfes elongiert. Vermehrte Plantarflexion auf der kontralateralen Seite und eine Beckenhebung führen zur benötigten Bodenfreiheit beim Durchschwingen des Prothesenbeins. Dadurch wird aber auch der Körperschwerpunkt stärker angehoben. Die vertikale Bewegung des Körperschwerpunkts der Probanden TF-Osseo präop unterscheidet sich von der der Probanden TF-Schaft. Diese Patientengruppe beklagt Probleme beim Gehen mit der Schaftprothese. Deshalb verwundert die Differenz nicht. Sie belegt eher den problembehafteten Befund.

Da beim Gehen mit knochenverankerten Prothesen weder eine Relativbewegung zwischen Prothese und dem Femur stattfinden kann und auch nicht gemessen wurde⁵¹, noch das Prothesenkniegelenk sich in der Standphase wesentlich beugt, muss die Höhenbewegung des Körperschwerpunkts etwa 1,5 cm größer werden im Vergleich zur Gruppe NA mit 20 bis 25 Grad Standphasenflexion. Diese geschätzte Höhenbewegung ergab sich auch durch Integration der aus den Bodenreaktionskräften berechneten Beschleunigung (Gleichung 5). Weiterhin weist die berechnete Geschwindigkeit bei Bodenkontakt vz(0) auf einen veränderten Gehstil hin. Der Körperschwerpunkt bewegte sich bereits zu Beginn des Gangzyklus beim Bodenkontakt des Prothesenbeins aufwärts (Abb. 6). Dadurch wird der Kraftstoß vermieden, der zur Umkehr der Abwärtsbewegung in eine Aufwärtsbewegung nötig ist. Die Belastung des Prothesenbeins wird so reduziert.

Die Studie wurde limitiert für Amputierte mit langen und mittellangen Oberschenkelstümpfen. Schlussfolgerungen für Amputierte mit kurzen Stümpfen können daraus nicht gezogen werden. Es kann auch nicht ausgeschlossen werden, dass ein mit der Amputation eingesetztes Implantat zu modifizierten Ergebnissen führen könnte.

Zusammenfassend belegen die Ergebnisse dieser Studie zum Vergleich der Gehfähigkeit von aktiven Oberschenkelamputierten, die einen langen oder mittellangen Stumpf hatten und mit knochenverankerten Prothesen oder Schaftprothesen versorgt waren:

Amputierte mit knochenverankerten Prothesen gingen mit signifikant geringeren Geschwindigkeiten als symptomfreie Schaftprothesenträger.
Die osseointegrierten Amputierten wiesen einen speziellen, von der physiologischen Gehmechanik abweichenden Gehstil auf, der für das Prothesenbein entlastend wirkte.
Das Prothesenbein trug deutlich weniger zur Bewegung der Amputierten bei als die kontralaterale Seite.
Der Bewegungsapparat der osseointegrierten Amputierten wurde asymmetrischer belastet als der von Schaftprothesenträgern. Die Asymmetrie nimmt mit der Geschwindigkeit bei den osseointegrierten Amputierten zu, nicht bei den Amputierten mit Schaftprothesen.
Die Kraftübertragung des osseointegrierten Prothesenbeins blieb bei höheren Geschwindigkeiten auf dem Niveau, das beim langsamen Gehen erreicht wurde.
Ein normales Gangbild zu erwarten, bleibt auch auf Grund weiterhin fehlender Muskeln und Gelenke unrealistisch.

Deshalb kann auf der Basis der erhobenen kinetischen Gangdaten die osseointegrierte Prothese für aktive Oberschenkelamputierte mit langen und mittleren Stümpfen, die für eine Schaftversorgung gut geeignet sind, nicht im Sinne einer allgemeinen Indikationserweiterung empfohlen werden. Diese Amputierten werden mit hoher Wahrscheinlichkeit bezüglich des Gangbildes nach dem Übergang von einer Schaftprothese zur knochenverankerten Prothese nicht besser rehabilitiert sein. Die typische Gehgeschwindigkeit wird langsamer als 3 km/h sein. Höhere Geschwindigkeiten beim Gehen und andere das Prothesenbein stärker beanspruchende Aktivitäten, beispielsweise leichtathletischer Sprint⁵², sollten als kritisch, mit hoher Wahrscheinlichkeit als kontraindiziert betrachtet werden. Der Gehstil nähert sich offensichtlich nicht dem Gehen mit physiologischen Merkmalen.

Die Erkenntnisse der Studie umreißen die Möglichkeiten und Grenzen der Wiederherstellung der Gehfähigkeit von Oberschenkelamputierten. Sie können im Aufklärungsgespräch mit dem Amputierten genutzt werden, um im Komplex der individuellen Befundlage, den Wünschen des Patienten, den Vorteilen der Knochenverankerung, aber auch der Stomaproblematik und möglichen operativen und klinischen Komplikationen im Einzelfall die beste Lösung für den Patienten zu finden. Im Einzelfall kann die osseointegrative oder jene mit Schaftprothesen die geeignetere Versorgungsvariante sein. Beide haben ihre Berechtigung bei adäquater Indikationsstellung.

Fazit

Oberschenkelamputierte, die eine Schaftprothese wegen Schaftproblemen nicht tragen können, bieten TOPS eine wertvolle Alternative zur Schaftversorgung. Amputierten, die einen lasttragfähigen Stumpf und keine Schaftprobleme haben, sollte als Versorgung eine Schaftprothese empfohlen werden. Beim Wechsel von der Schaftprothese zu TOPS wird für diese Oberschenkelamputierten mit langen und mittellangen Stümpfen mit hoher Wahrscheinlichkeit eine Reduktion der Gehleistung erwartet. Das Gangbild wird sich nicht dem physiologischen annähern. Die Gehgeschwindigkeit wird langsamer sein und das typische selbstgewählte Gehen langsamer als 3 km/h. Das Potenzial der Kraftübertragung der Prothesenseite osseointegrierter Patienten beim Gehen ist limitiert. Das Prothesenbein trägt geringer, während das kontralaterale Bein mehr leisten muss. Der Stütz- und Bewegungsapparat wird insbesondere mit höheren Gehgeschwindigkeiten immer stärker asymmetrisch beansprucht. Die zu erwartende Stützkraft der osseointegrierten Extremität wird signifikant geringer sein als für Amputierte, die beschwerdefrei mit Schaftprothesen gehen.

Hinweis:
Ergänzende und weiterführende Informationen zu dieser Studie sind auf Englisch in der Fachzeitschrift Clinical Biomechanics erschienen: https://doi.org/10.1016/j.clinbiomech.2023.106099

Für die Autoren:
Prof. Dr. rer. nat. habil. Siegmar Blumentritt
PFH Private Hochschule Göttingen
Weender Landstraße 3–7
37973 Göttingen
E‑Mail: sie-blumentritt@t‑online.de
Tel.: 05507–999366

Begutachteter Beitrag/reviewed paper

Zitation
Blumentritt S, Schmalz T, Timmermann A, Aschoff HH. Osseointegrierte Prothese versus Schaftprothese: Welche Gehfähigkeit erreichen Oberschenkelamputierte? Orthopädie Technik, 2024; 75 (7): 38–48

Abb. 1a u. b Schema zur Kraftübertragung der Vertikalkomponente der Bodenreaktionskraft FZ1 vom Fuß über die Prothese auf den Körperschwerpunkt (KSP). Bei der Schaftprothese teilt sich die Bodenreaktionskraft zwischen Schaft und Körper über zwischenliegende Weichteile in zwei Teilkräfte – F1 vom Schaft zum Femur und F2 vom Schaft zum Becken (a). Bei der transkutanen osseointegrierten Prothese (TOPS) wirkt die Bodenreaktionskraft vom Implantat direkt zum Femur als F3 (b). Die Kraft Fksp verursacht die Vertikalbewegung des Körperschwerpunkts.

Abb. 2a–d Mittlere Bodenreaktionskraft des Prothesenbeins FZ1 beim Gehen mit drei verschiedenen Geschwindigkeiten über den Gangzyklus (G Körpergewicht, GZ Gangzyklus). Rechtes Bein NA (a), TF-Osseo präop (b), TF-Osseo postop ©, TF-Schaft (d).

Abb. 3a–d Mittlere Maxima der Bodenreaktionskraft in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit: prothetische Seite (für NA rechtes Bein) (a u. b), kontralaterale Seite (für NA linkes Bein) (c u. d).

Abb. 4a u. b Vertikalkomponente der Bodenreaktionskraft bei vergleichbaren Geschwindigkeiten: Prothesenseite (NA rechtes Bein) (a), kontralaterale Seite (NA linkes Bein) (b).

Abb. 5a u. b Mittelwert des Verhältnisses der Bodenreaktionskräfte des Prothesenbeins FZ1 zum erhaltenen Bein FZ2 über die Standphase: in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit (a), für die vergleichbare Gehgeschwindigkeit von etwa 1,3 m/s (b).

Abb. 6a u. b Vertikalbewegung des Körperschwerpunkts beim Gehen mit einer Geschwindigkeit von etwa 1,3 m/s über einen Gangzyklus (GZ) (a), Geschwindigkeit des Körperschwerpunkts bei Bodenkontakt des Prothesenbeins (NA rechtes Bein) (b).

Tabelle 1 Probandendaten

Probanden	NA	TF-Osseo präop	TF-Osseo postop	TF-Schaft
Anzahl [n]	15	9	9	9
Alter [Jahre]	21,9 ± 2,7	46,1 ± 8,4	47,9 ± 9,5	48,4 ± 2,9
Masse [kg]	70,7 ± 12,1	87,1 ± 11,3	86,6 ± 10,2	73,4 ± 13,2
Größe [m]	1,77 ± 0,10	1,82 ± 0,06	1,82 ± 0,06	1,75 ± 0,09
Prothese seit [Jahre]		19,1 ± 12,0		24,9 ± 10,7
TOPS seit [Monate]			11,7 ± 4,0
Stumpflänge* [n]		7/2	7/2	8/1

* mittellang/lang

Tabelle 2 Prothesenkomponenten

	TF-Osseo					TF-Schaft
	präoperativ		postoperativ
Patient	Prothesenfuß	Kniegelenk	Prothesenfuß	Kniegelenk	Patient	Prothesenfuß	Kniegelenk
1	1D10	3R80	TrueStep	C‑Leg	1	SACH	C‑Leg
2	1C40	Hy deal	1C40	C‑Leg	2	1C40	C‑Leg
3	1C40	Rheo	VariFlex EVO	Rheo	3	Triton	C‑Leg
4	FlexFoot	C‑Leg	1C40	C‑Leg	4	Triton	C‑Leg
5	1C40	C‑Leg	1C40	C‑Leg	5	Agilix	Plie 2
6	Seattle	3R80	1C30	C‑Leg	6	Triton LP	Genium
7	1C40	C‑Leg	1C40	C‑Leg	7	1C63	Orion
8	1C40	C‑Leg	1C40	C‑Leg	8	VariFlex	Rheo
9	Axion	C‑Leg	Trias	C‑Leg	9	Triton	C‑Leg

Tabelle 3a Gehgeschwindigkeit [m/s] (Mittelwert ± Standardabweichung)

	NA	TF-Osseo präop	TF-Osseo postop	TF-Schaft
n	15	9	9	9
langsam	1,12 ± 0,08	0,91 ± 0,15	0,86 ± 0,14	0,93 ± 0,04
normal	1,46 ± 0,07	1,14 ± 0,17	1,05 ± 0,16	1,20 ± 0,12
schnell	1,76 ± 0,15	1,34 ± 0,20	1,27 ± 0,18	1,61 ± 0,16

Tabelle 3b Schrittlänge [m] bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten (Mittelwert ± Standardabweichung)

	NA		TF-Osseo präop		TF-Osseo postop		TF-Schaft
	rechts	links	Prothesenteile	kontralateral	Prothesenteile	kontralateral	Prothesenteile	kontralateral
langsam	0,67 ± 0,04	0,69 ± 0,05	0,60 ± 0,06	0,59 ± 0,11	0,57 ± 0,07	0,57 ± 0,08	0,65 ± 0,08	0,59 ± 0,05
normal	0,78 ± 0,04	0,78 ± 0,05	0,69 ± 0,04	0,67 ± 0,09	0,65 ± 0,06	0,62 ± 0,08	0,71 ± 0,06	0,65 ± 0,06
schnell	0,86 ± 0,05	0,87 ± 0,05	0,76 ± 0,04	0,72 ± 0,09	0,71 ± 0,05	0,70 ± 0,09	0,77 ± 0,08	0,73 ± 0,05

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Al Muderis M et al. Direct skeletal attachment prosthesis for the amputee athlete: the unknown potential. Sports Engineering, 2016; 19 (3): 141–145

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Ein­lei­tung

Metho­den

Ver­ti­ka­le Schwerpunktbewegung

Ver­ur­sa­chen­de Kräfte

Berech­nung der Höhen­be­we­gung des Körperschwerpunkts

Pro­ban­den

Pro­the­sen­kom­po­nen­ten

Mess­me­tho­den

Expe­ri­men­tel­le Durchführung

Para­me­ter

Ergeb­nis­se

Zeit-Distanz-Para­me­ter

Ver­ti­kal­kom­po­nen­te der Bodenreaktionskraft

Kraft­ver­lauf am Prothesenbein

Kraft­ma­xi­ma

Ver­ti­ka­le Bewe­gung des Kör­per­schwer­punkts bei ver­gleich­ba­ren Gehgeschwindigkeiten

Ver­ti­kal­kom­po­nen­te der Bodenreaktionskraft

Belas­tungs­sym­me­trie

Ver­ti­kal­be­we­gung des Körperschwerpunkts

Dis­kus­si­on

Fazit

Einleitung

Methoden

Vertikale Schwerpunktbewegung

Verursachende Kräfte

Berechnung der Höhenbewegung des Körperschwerpunkts

Probanden

Prothesenkomponenten

Messmethoden

Experimentelle Durchführung

Parameter

Ergebnisse

Zeit-Distanz-Parameter

Vertikalkomponente der Bodenreaktionskraft

Kraftverlauf am Prothesenbein

Kraftmaxima

Vertikale Bewegung des Körperschwerpunkts bei vergleichbaren Gehgeschwindigkeiten

Vertikalkomponente der Bodenreaktionskraft

Belastungssymmetrie

Vertikalbewegung des Körperschwerpunkts

Diskussion