Pro­the­sen­fü­ße für die addi­ti­ve Fer­ti­gung nach dem Roll-over-Shape-Modell

H. Schmück, J. Pröbsting, N. Günther, F. Vonderthan
In diesem Artikel werden drei unterschiedliche passive Prothesenfußkonzepte nach dem Roll-over-Shape-(ROS-)Modell vorgestellt. Grundlegende Idee dieser Konzepte war es, einen Prothesenfuß zu entwickeln, der an das Gangverhalten der vorherigen Prothesenversorgung des Amputierten anpassbar ist. Um die entwickelten Konzepte bewerten zu können, wurden der Vorfuß- und der Fersenbelastungsfall in einer FEM-Simulation berechnet. Durch die simulierten Verformungen konnte abgeschätzt werden, ob das Fußmodell die angestrebte ROS erreicht. In einer 2-D-Ganganalyse wurde die ROS bestimmt und mit dem Referenzaufbau verglichen. Die Prothesen wurden additiv aus Polyamid gefertigt.

Ein­lei­tung

Durch die schnel­le Fer­ti­gung belie­bi­ger digi­ta­ler 3‑D-Geo­me­trien und die immer wei­ter stei­gen­de Aus­wahl an Mate­ria­li­en bie­tet die addi­ti­ve Fer­ti­gung enorm viel Fle­xi­bi­li­tät. Das Fer­ti­gungs­ver­fah­ren ist vor allem für die Ent­wick­lung von Pro­to­ty­pen oder die Pro­duk­ti­on indi­vi­du­ell anzu­pas­sen­der Pro­duk­te attrak­tiv. In Kom­bi­na­ti­on mit heu­ti­gen 3‑D-Scan-Sys­te­men lässt sich die Anwend­bar­keit die­ses Ver­fah­rens wei­ter aus­bau­en, zum Bei­spiel in Pro­zes­sen des Rever­se Engi­nee­ring. Die­se Sys­tem­kom­bi­na­ti­on macht das Ver­fah­ren auch für die Ortho­pä­die-Tech­nik attrak­tiv (Abb. 1).

Bei dem Vor­ha­ben, eine Pro­the­se addi­tiv zu fer­ti­gen, wird man aller­dings mit den enor­men indi­vi­du­el­len Ansprü­chen der Ortho­pä­die-Tech­nik kon­fron­tiert – von der Pass­form über den Pro­the­sen­auf­bau bis hin zum Abroll­ver­hal­ten der Pro­the­se. Es sind oft­mals nicht strikt defi­nier­te oder erfass­ba­re Para­me­ter, son­dern Opti­mie­run­gen bei der indi­vi­du­el­len Anpro­be mit Pati­en­ten. Alle Ansprü­che müs­sen für die addi­ti­ve Fer­ti­gung in die digi­ta­le Ebe­ne über­nom­men wer­den und über den Fer­ti­gungs­pro­zess erhal­ten blei­ben. Als Refe­renz kann eine vor­her­ge­hen­de Ver­sor­gung des Pati­en­ten die­nen 1.

Das Abroll­ver­hal­ten wird maß­geb­lich durch den Pro­the­sen­fuß beein­flusst. Um diver­se Fuß­sys­te­me cha­rak­te­ri­sie­ren zu kön­nen, bie­tet sich das Rollover-Shape-(ROS-)Modell von Han­sen an 2 3 4. Das Modell bie­tet eine ein­fa­che Anschau­ungs­wei­se in die Funk­tio­nen des mensch­li­chen Fußes; dabei wird der Fuß mit einem rol­len­den Rad ver­gli­chen, das mit einem bestimm­ten Radi­us um einen bestimm­ba­ren Mit­tel­punkt abrollt. Im Prin­zip han­delt es sich dabei um die effek­ti­ve Fuß­form wäh­rend des Gang­zy­klus. Das Modell lässt sich nicht nur auf den phy­sio­lo­gisch gesun­den Fuß appli­zie­ren, son­dern kann auch auf jeg­li­ches Pro­the­sen­fuß­sys­tem ange­wen­det wer­den 5.

Dies führ­te zu der Idee, die in die­sem Arti­kel vor­ge­stell­ten drei Pro­the­sen­fuß­kon­zep­te nach dem ROS-Modell zu ent­wi­ckeln. Damit soll die Anpas­sung des Fuß­mo­dells an jeg­li­ches Fuß­sys­tem gewähr­leis­tet wer­den 6. Dazu muss­te die ROS einer Refe­renz­ver­sor­gung erfasst wer­den, um die Pro­the­sen­fuß­mo­del­le anzu­pas­sen. Wäh­rend des Kon­struk­ti­ons­pro­zes­ses wur­den die Kon­zep­te in einer FEM-Simu­la­ti­on regel­mä­ßig eva­lu­iert, um zu prü­fen, ob die erfor­der­li­che ROS mit den ein­ge­stell­ten Kon­struk­ti­ons­pa­ra­me­tern erreicht wird. Hier­bei wur­den die Fer­sen- und Vor­fuß­be­las­tungs­fäl­le zu den jewei­li­gen Zeit­punk­ten der Boden­re­ak­ti­ons­kraft­spit­zen wäh­rend eines Gang­zy­klus simuliert.

Die fina­le Pro­the­se wur­de im Selek­ti­ven Laser­sin­ter­ver­fah­ren (SLS) aus Poly­amid für einen trans­ti­bi­al ampu­tier­ten Pati­en­ten gefer­tigt. In einer 2‑D-Gang­ana­ly­se wur­den die ROS und wei­te­re Gang­pa­ra­me­ter der Fuß­kon­zep­te und der Refe­renz­pro­the­se erfasst und mit­ein­an­der verglichen.

Das Roll-over-Shape-Modell

Das Modell stellt sich den mensch­li­chen Fuß als rol­len­des Rad vor, das mit einem bestimm­ten Radi­us um den Mit­tel­punkt abrollt (Abb. 2) 7. Wie lässt sich die­ses Modell nun auf die Fuß­kon­struk­ti­on über­tra­gen? Da die ROS im Wesent­li­chen die effek­ti­ve Fuß­form wäh­rend des Gang­zy­klus beschreibt, lässt die­se sich mit Hil­fe des Druck­mit­tel­punkt­ver­lau­fes („Cen­ter of Pres­su­re“ = COP) bestim­men. Da sich der COP immer auf Boden­ebe­ne befin­det, beschreibt der Ver­lauf anfäng­lich eine Linie anstatt einer Kur­ve. Wer­den die COP in das Koor­di­na­ten­sys­tem des Sprung­ge­len­kes trans­fe­riert, nimmt der Punk­te­ver­lauf nun die Form einer Kur­ve an.

Die Bestim­mung der Ori­en­tie­rung des Koor­di­na­ten­sys­tems am Sprung­ge­lenk kann unter­schied­lich erfol­gen. Das Modell von Han­sen kann in drei Unter­mo­del­le dif­fe­ren­ziert werden:

  • Fuß-ROS (F‑ROS)
  • Knö­chel-Fuß-ROS (AF-ROS)
  • Knie-Knö­chel-Fuß-ROS (KAF-ROS)

Die F‑ROS beschreibt ledig­lich die effek­ti­ve Fuß­form beim Abroll­vor­gang, wohin­ge­gen AF-ROS und KAF-ROS die bio­me­cha­ni­schen Ein­flüs­se der jewei­li­gen Gelen­ke mit­ein­be­zie­hen. Zur Bestim­mung der F‑ROS wird die Posi­ti­on des Koor­di­na­ten­sys­tems am Knö­chel ange­nom­men und mit den Raumach­sen zur Gan­g­rich­tung sowie par­al­lel zum Boden aus­ge­rich­tet. Für AF- und KAF-ROS muss eine Rota­ti­ons­trans­for­ma­ti­on der Koor­di­na­ten erfol­gen. Dazu wird das Koor­di­na­ten­sys­tem nach den Knö­chel-Knie- oder den Knö­chel-Hüf­te-Vek­to­ren aus­ge­rich­tet. Die COP, in das Ziel­ko­or­di­na­ten­sys­tem trans­for­miert, beschreibt nun eine Kur­ve. Um das Ver­hal­ten der Refe­renz­pro­the­se effek­tiv zu erfas­sen, wur­de in den durch­ge­führ­ten Mes­sun­gen die AF-ROS bestimmt, da es sich beim Pati­en­ten um einen trans­ti­bi­al Ampu­tier­ten handelte.

Kon­zep­te

Die drei Kon­zep­te für den Pro­the­sen­fuß wur­den so ent­wor­fen, dass es mög­lich ist, durch Kon­struk­ti­ons­pa­ra­me­ter die ROS des Pro­the­sen­fu­ßes zu regu­lie­ren. Dies beinhal­tet die Posi­ti­on des ROS-Mit­tel­punk­tes rela­tiv zur Posi­ti­on des gedach­ten Knö­chels und zum Radi­us der ROS.

Kon­zept A rea­li­siert dies mit einer radia­len Schie­ne (Abb. 3a). Die Schie­ne lässt sich an jeden Radi­us anpas­sen und in der Ebe­ne der Gan­g­rich­tung hori­zon­tal posi­tio­nie­ren. Anschlä­ge sor­gen für einen Über­stre­ckungs­schutz der Fer­sen und der Vor­fuß­he­bel, die eine Dämp­fung bei Fer­sen­auf­tritt und beim Abroll­vor­gang über den Vor­fuß erzeu­gen. Der Dämp­fungs­fak­tor lässt sich mit der Stär­ke der Hebel und zusätz­li­chen Puf­ferein­sät­zen regu­lie­ren. Die­se sind so zu wäh­len, dass die auf­tre­ten­de Bie­gung der Hebel bis zur ROS erfol­gen kann. Durch eine Kop­pe­lung der bei­den Federn wird eine Inter­ak­ti­on zwi­schen Vor­fuß und Fer­sen­fe­der gewähr­leis­tet, was bei­spiels­wei­se beim Fer­sen­auf­tritt zu einer plan­taren Fuß­be­we­gung führt.

Der Kon­troll­me­cha­nis­mus für die ROS des Kon­zep­tes B (Abb. 3b) lässt sich ver­ein­facht mit einem ein­sei­tig gespann­ten Bal­ken erklä­ren, der sepa­rat für die Fer­sen- und Vor­fuß­be­las­tung beob­ach­tet wer­den muss. Wird der Bal­ken belas­tet, beschreibt er eine Krüm­mungs­kur­ve, die vom Flä­chen­träg­heits­mo­ment, von der ver­wen­de­ten Struk­tur und von der anlie­gen­den Kraft abhän­gig ist. Nach die­sem Modell las­sen sich ROS und Dämp­fung durch die Ver­än­de­rung der Stär­ke der Soh­len­plat­te kon­trol­lie­ren. Zusätz­lich kann ein Car­bon­ele­ment in die Soh­le ein­ge­scho­ben wer­den, um die Stei­fig­keit zu erhö­hen. Da sich die Kraft und der Hebel­arm des Momen­tes ent­lang der Fuß­soh­le ändern, muss bei einer kon­stan­ten Dicke der Plat­te dar­auf geach­tet wer­den, dass die­se so gewählt wird, dass die not­wen­di­ge Ver­for­mung für die ROS zu jedem Punkt ent­lang der Fuß­län­ge gewähr­leis­tet ist. Die end­gül­ti­ge Regu­lie­rung der ROS erfolgt letzt­lich über die Anschlä­ge auf der Soh­len­plat­te, die eine Über­stre­ckung verhindern.

Kon­zept C kann als Hybrid aus A und B bezeich­net wer­den (Abb. 3c). Die ROS wird durch Anschlä­ge und eine Radi­al­schie­ne regu­liert. Durch Ein­schub einer Car­bon­plat­te wird auch hier die Stei­fig­keit des Vor­fuß- und des Fer­sen­he­bels regu­liert. Mit der kon­vex gekrümm­ten Boden­plat­te wird hier der maxi­mal mög­li­che Vor­fuß- und Fer­sen­he­bel benutzt, was die Ver­wen­dung stär­ke­rer Car­bon­plat­ten ermög­licht, ohne dabei die ROS zu ver­fäl­schen, und was gleich­zei­tig die Ener­gie­rück­ge­win­nung erhöht. Ein Über­streck­schutz im Mit­tel­fuß ver­hin­dert hier eine star­ke Ver­for­mung in der mitt­le­ren Stand­pha­se und sorgt dafür, dass über die radia­le Schie­ne abge­rollt wird.

FEM-Simu­la­ti­on

Um die Ein­stel­lun­gen der Kon­struk­ti­ons­pa­ra­me­ter vor der Fer­ti­gung der Pro­the­sen­fü­ße eva­lu­ie­ren zu kön­nen, wur­den meh­re­re Last­fäl­le zu unter­schied­li­chen Zeit­punk­ten des Gang­zy­klus simu­liert. Die Las­ten wur­den der Boden­re­ak­ti­ons­kraft­mes­sung der Refe­renz­pro­the­se ent­nom­men. Ent­spra­chen die simu­lier­ten Ver­for­mun­gen der ROS, so wur­den die Model­le zur Fer­ti­gung frei­ge­ge­ben. Abbil­dung 4 zeigt zur Ver­an­schau­li­chung die Simu­la­ti­on von Kon­zept A, wobei die Belas­tungs­fäl­le von Fer­sen­auf­tritt und ter­mi­na­ler Stand­pha­se dar­ge­stellt werden.

Ergeb­nis­se und Diskussion

In Tabel­le 1 wer­den die bestimm­ten ROS-Wer­te der Mes­sun­gen auf­ge­führt. Die Mes­sun­gen wur­den mit jedem Kon­zept und der Refe­renz­ver­sor­gung durch­ge­führt. Um den Ein­fluss der Dämp­fung im ROS-Modell zu zei­gen, erfolg­ten Mes­sun­gen mit zusätz­li­cher Dämp­fung. Bei A und B wur­den hier­zu TPU-Puf­fer ver­wen­det, B und C wur­den mit einer Car­bon­plat­te verstärkt.

Weit­ge­hend ent­spra­chen die bestimm­ten ROS den Wer­ten der Refe­renz­mes­sung. Aller­dings zeig­ten die Mes­sun­gen bei allen Kon­zep­ten einen „X‑Shift“ im Ver­gleich zur Refe­renz. Dies resul­tiert aus der Plat­zie­rung des Sprung­ge­lenk­mar­kers, da nicht die glei­che Posi­ti­on an den unter­schied­li­chen Füßen fest­ge­legt wer­den konnte.

Ledig­lich Kon­zept B führ­te zu einem signi­fi­kant höhe­ren Radi­us. Die Aus­wahl einer zu star­ken Car­bon­plat­te führ­te dazu, dass die Anschlä­ge nicht voll­stän­dig erreicht wur­den und es somit zu einer Ver­fäl­schung der ROS kam.

Kon­zept A und C ohne Dämp­fung erziel­ten im Ver­gleich zu B sehr gute Wer­te. Die zusätz­li­che Dämp­fung in Kon­zept A führ­te zu einer signi­fi­kan­ten Erhö­hung der ROS. Kon­zept C zeig­te die bes­te Annä­he­rung an die Refe­renz­ver­sor­gung. Ohne zusätz­li­ches Dämp­fungs­ele­ment erziel­te das Kon­zept eine zu gerin­ge ROS (sie­he Tab. 1).

Neben den ROS-Para­me­tern wur­den zudem die Sprung­ge­lenk­mo­men­te betrach­tet (Abb. 5). Die­se zei­gen, dass die Fer­sen­dämp­fung in Bezug auf die Refe­renz­ver­sor­gung am bes­ten mit den Kon­zep­ten B und C erreicht wur­de. Im Fal­le des Vor­fu­ßes führ­ten aller­dings die Kon­zep­te zu wesent­lich klei­ne­ren Momen­ten als die Refe­renz. Die Ver­wen­dung von Car­bon-Ein­schü­ben bei Kon­zept B und C konn­te dies etwas ver­bes­sern (Abb. 5a u. b). Eine über­mä­ßi­ge Ver­stär­kung der Dämp­fungs­ele­men­te wie­der­um kann die ROS nega­tiv beein­flus­sen. Kon­fron­tiert mit die­sem Pro­blem wird deut­lich, dass die allei­ni­ge Betrach­tung der ROS nicht aus­reicht, um alle essen­ti­el­len Fuß­pa­ra­me­ter zu erfassen.

Fazit

Ins­ge­samt scheint das ROS-Modell allein zur Ent­wick­lung von Pro­the­sen­fü­ßen nicht aus­rei­chend zu sein. Durch zusätz­li­che Betrach­tung der Sprung­ge­lenk­mo­men­te bei­spiels­wei­se lässt sich die­ses Defi­zit kom­pen­sie­ren. Opti­ma­ler­wei­se soll­te die Dämp­fung so gewählt wer­den, dass genug Wider­stand erzeugt wird und dass gleich­zei­tig die effek­ti­ve Fuß­form kon­sis­tent mit der ROS ist.

Im Ver­gleich zu den gän­gi­gen Car­bon­fe­der-Pro­the­sen­fü­ßen stel­len die­se Kon­zep­te kei­ne all­täg­li­che Alter­na­ti­ve dar, was sich vor allem anhand der gerin­ge­ren Ener­gie­rück­ge­win­nung wäh­rend der ter­mi­na­len Stand­pha­se ver­deut­licht. Den­noch konn­ten die Kon­zep­te vor allem durch das Abroll­ver­hal­ten über­zeu­gen, das auch vom Pro­ban­den als ange­nehm emp­fun­den wur­de. Sicher ist, dass der wei­te­re tech­no­lo­gi­sche Fort­schritt der addi­ti­ven Fer­ti­gung die Her­stel­lung qua­li­ta­tiv hoch­wer­ti­ger Pro­the­sen mit dem addi­ti­ven Ver­fah­ren gewährleistet.

Für die Autoren:
Han­nes Schmück
M. Sc. Gesund­heits- und Rehabilitationstechnik

Got­tin­ger Han­dels­haus OHG
Ilchin­ger Weg 1
85604 Zorne­ding
hannes.schmueck@gottinger.de

Begut­ach­te­ter Beitrag/reviewed paper

Zita­ti­on
Schmück H, Pröbs­ting J, Gün­ther N, Von­derthan F. Pro­the­sen­fü­ße für die addi­ti­ve Fer­ti­gung nach dem Roll-over-Shape-Modell. Ortho­pä­die Tech­nik, 2017; 68 (3): 34–37
  1. Pröbs­ting J. Gene­ra­ti­ve Fer­ti- gungs­ver­fah­ren in der Ortho­pä­die­Tech­nik. Ortho­pä­die Tech­nik, 2014; 65 (1): 16–19
  2. Han­sen AH, Child­ress DS, Knox EH. Roll-over shapes of human loco­mo­tor sys­tems: effects of wal­king speed. Cli­ni­cal Bio­me­cha­nics (Bris­tol, Avon), 2004; 19 (4): 407–414
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  5. Han­sen AH, Child­ress DS, Knox EH. Roll-over shapes of human loco­mo­tor sys­tems: effects of wal­king speed. Cli­ni­cal Bio­me­cha­nics (Bris­tol, Avon), 2004; 19 (4): 407–414
  6. Schmück H. Pro­the­sen­fuß nach dem Roll-over Shape Modell – Kon­zep­te zur Her­stel­lung mit dem Addi- tiven Ver­fah­ren. Saar­brü­cken: Aka­de­mi­ker-Ver­lag, 2016: 74–76
  7. Han­sen AH, Child­ress DS. Inves­ti­ga­ti­ons of roll-over shape: impli­ca­ti­ons for design, align­ment and eva­lua­ti­on of ankle-foot prosthe­ses and ortho­ses. Disa­bi­li­ty and Reha­bi­li­ta­ti­on, 2010; 32 (26): 2201–2209
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