Roll over shape-Mes­sung: Ver­gleich zwei­er Mess­me­tho­den und Anwend­bar­keit in der Prothesenfußentwicklung

G. A. Tschupp, V. Nissels, J. Uhlig
In diesem Artikel wird der Roll over shape von Carbonfederfüßen anhand von Ganganalyse- und Prüfstandsdaten untersucht. Die Resultate der analysierten Parameter zeigen Unterschiede, aber auch Ähnlichkeiten der beiden Messprinzipien auf. Obwohl sich die Messwerte des Prüfstandes von denen der klassischen Ganganalyse unterscheiden, gibt es dennoch Ansatzpunkte, die Messergebnisse als wertvolle Unterstützung für die Prothesenfußentwicklung einzusetzen.

Ein­lei­tung

Für die Ana­ly­se und Bewer­tung von Pro­the­sen­fü­ßen ste­hen ver­schie­de­ne mess­tech­ni­sche Ver­fah­ren zur Ver­fü­gung. Prin­zi­pi­ell wer­den zwei Metho­den unter­schie­den: einer­seits Mess­rei­hen mit Test­per­so­nen, um kine­ti­sche und kine­ma­ti­sche Daten zu erhe­ben, ande­rer­seits anwen­de­r­un­ab­hän­gi­ge, mecha­ni­sche Prüf­ver­fah­ren, die mit Hil­fe spe­zi­el­ler Prüf­stän­de erfol­gen. Bei­de Wege ermög­li­chen es, den Roll over shape (ROS) von Pro­the­sen­fü­ßen zu mes­sen. In die­ser Unter­su­chung wird geprüft, ob die Ergeb­nis­se der unter­schied­li­chen Mess­me­tho­den ver­gleich­bar sind. Dar­über hin­aus wird unter­sucht, inwie­weit die Ergeb­nis­se des Prüf­stands­tests für die Aus­le­gung von Pro­the­sen­fü­ßen in der Fuß­ent­wick­lung genutzt wer­den können.

Anzei­ge

Der Roll over shape (ROS) bezeich­net die effek­ti­ve Abroll­kur­ve eines Fußes wäh­rend der Stand­pha­se 1 2. Han­sen 3 führt dies als eine der wich­tigs­ten Eigen­schaf­ten von Pro­the­sen­fü­ßen auf. Der Ver­lauf des Druck­mit­tel­punk­tes (CoP), bezo­gen auf das loka­le Fuß­ko­or­di­na­ten­sys­tem, vom Fer­sen­kon­takt bis zur Zehen­ab­lö­sung ergibt die ROS-Kur­ve. Oft wird die­ser Ver­lauf mit dem Abrol­len eines Rades ver­gli­chen (Abb. 1) 4 5 6. Der ROS gibt Auf­schluss dar­über, wie sich ein Pro­the­sen­fuß wäh­rend der Belas­tungs­pha­se ver­formt 7 8 9. Der Haupt­vor­teil die­ses Ver­fah­rens liegt dar­in, dass Ergeb­nis­se des kom­ple­xen Sprung­ge­lenk-Fuß-Sys­tems direkt und ein­fach mit­ein­an­der ver­gli­chen wer­den können.

Das Abroll­ver­hal­ten lässt sich anhand unter­schied­lichs­ter Mess­grö­ßen ver­glei­chen. In die­sem Arti­kel wird es durch den von Curt­ze et al. 10 defi­nier­ten Momen­tan­ra­di­us ana­ly­siert. Der Momen­tan­ra­di­us wird her­an­ge­zo­gen, um eine Aus­sa­ge über die Standsta­bi­li­tät des Fußes in der ent­spre­chen­den Posi­ti­on zu tref­fen. Ein klei­ner Radi­us bedeu­tet weni­ger, ein gro­ßer Radi­us mehr Stabilität.

In der klas­si­schen Gang­ana­ly­se wer­den alle Mess­da­ten mit Hil­fe von Test­per­so­nen unter Labor­be­din­gun­gen erho­ben. Dies erfor­dert eine hohe Zahl von Test­per­so­nen, um die intra­in­di­vi­du­el­len Gang­mus­ter zu erfas­sen, ein sta­tis­ti­sches Mit­tel zu errei­chen und gege­be­nen­falls Aus­rei­ßer zu erken­nen. Jeder natür­li­che Orga­nis­mus ist dar­auf aus­ge­legt, sich per­ma­nent an die äuße­ren Gege­ben­hei­ten anzu­pas­sen. Das Glei­che geschieht beim Ein­satz unter­schied­li­cher Pas­s­tei­le: Die Test­per­son passt sich über Kom­pen­sa­ti­ons­be­we­gun­gen an. Um die­se Bewe­gun­gen zu erfas­sen, müs­sen der Fokus der Betrach­tung erwei­tert und die Test­per­son bezie­hungs­wei­se die fol­gen­den Glie­der der kine­ma­ti­schen Ket­te ana­ly­siert wer­den. Ein wei­te­rer Punkt, der die Aus­wer­tung erschwert, ist der indi­vi­du­el­le Auf­bau der Pro­the­se. Mit moder­nen Auf­bau­hil­fen kön­nen die Vor­ga­ben der Her­stel­ler zwar über­prüft wer­den, Abwei­chun­gen sind auf­grund der indi­vi­du­el­len Anwen­der­ge­ge­ben­hei­ten jedoch nicht ausgeschlossen.

Spe­zi­el­le Prüf­ma­schi­nen die­nen dazu, repro­du­zier­ba­re Mes­sun­gen an Pro­the­sen­pas­s­tei­len durch­zu­füh­ren. Klas­sisch wer­den hier zykli­sche und sta­ti­sche Fes­tig­kei­ten nach den Nor­men DIN ISO EN 10328 und DIN ISO EN 22675 abge­prüft. Zusätz­lich ist es mög­lich, Ver­for­mung, Dämp­fung, Ener­gie­rück­ga­be und Abroll­ver­hal­ten in spe­zi­el­len Prüf­stän­den zu ana­ly­sie­ren. Um die Daten zu inter­pre­tie­ren, wer­den Ver­glei­che zur Gang­ana­ly­se her­an­ge­zo­gen. Sie ermög­li­chen eine Bewer­tung der tat­säch­li­chen Leis­tungs­fä­hig­keit und der Eig­nung für den Anwender.

Metho­de

Gang­ana­ly­se

Prüf­auf­bau

An der gang­ana­ly­ti­schen Stu­die nah­men vier männ­li­che Test­per­so­nen (Alter: 52 ± 19, Grö­ße: 176 ± 4 cm, Gewicht: 76 ± 11 kg; Ampu­ta­ti­ons­ur­sa­chen: 3 × Trau­ma, 1 × Dys­me­lie; Mobi­li­täts­gra­de: 2–4; Fuß­län­gen: 26– 27 cm) nach Unter­schen­kel­am­pu­ta­ti­on teil. Die objek­ti­ven Daten wur­den mit­tels opto­ki­ne­ti­scher und kine­ma­ti­scher Gang­ana­ly­se (High­speed-Kame­ra: Pilot piA­640-210gc, Bas­ler, 200 Hz; Kraft­mess­plat­te: Akku­Gait, AMTI, 200 Hz) erhoben.

Mess­ab­lauf

Alle Test­per­so­nen wur­den in zufäl­li­ger Rei­hen­fol­ge mit sechs ver­schie­de­nen Car­bon­fü­ßen unter­schied­li­cher Her­stel­ler (Tab. 1) ver­sorgt. Um den Ein­fluss des Schuh­werks zu mini­mie­ren, erfolg­ten alle Mes­sun­gen mit iden­ti­schen Neu­tral­schu­hen. Der Neu­tral­schuh ist ein ein­fa­cher Schnür­schuh mit fle­xi­blem Ober­ma­te­ri­al und einer 15 Mil­li­me­ter dün­nen Soh­le. Der Schuh soll die Dämp­fung und die Ver­for­mung des Pro­the­sen­fu­ßes mög­lichst wenig ein­schrän­ken bzw. ver­än­dern. Nach einer Ein­ge­wöh­nungs­zeit von 15 Minu­ten begann die Erhe­bung objek­ti­ver Gang­ana­ly­se­da­ten. Zur Mit­tel­wert­bil­dung wur­de jede Mes­sung fünf­mal wiederholt.

ROS-Prüf­stand

Prüf­auf­bau

Der ROS-Prüf­stand wur­de nach der Vor­la­ge aus der Ver­öf­fent­li­chung von Curt­ze et al. 11 modi­fi­ziert und auf­ge­baut. Er besteht aus einem Rah­men, der fest mit dem Unter­grund ver­schraubt wird (Abb. 2). Die­ser Rah­men dient als Füh­rung für eine Kon­struk­ti­on aus Roh­ren. Am obe­ren Ende wer­den Gewich­te und am unte­ren Ende der zu mes­sen­de Pro­the­sen­fuß ange­bracht. Der Fuß ist par­al­lel zur Füh­rungs­schie­ne aus­ge­rich­tet. Direkt ober­halb des Fußes befin­det sich ein Jus­tier­ad­ap­ter zur Gewichts­po­si­tio­nie­rung. Der Prüf­stand wird auf einer Kraft­mess­plat­te (Akku­Gait, AMTI, 200 Hz) posi­tio­niert, um die Kräf­te und den Ver­lauf des Druck­mit­tel­punk­tes auf­zu­neh­men. Zur Ermitt­lung des loka­len Fuß­ko­or­di­na­ten­sys­tems ver­folgt eine High­speed-Kame­ra (Pilot piA­640-210gc, Bas­ler, 200 Hz) spe­zi­ell posi­tio­nier­te Marker.

Mess­ab­lauf

Zur Simu­la­ti­on der Kör­per­mas­se wird ein Gewicht von 85 Kilo­gramm in einer Höhe von 98 Zen­ti­me­tern ange­bracht. Dies ent­spricht der Bein­län­ge einer Per­son mit einer Kör­per­grö­ße von 180 Zen­ti­me­tern 12. Die Belas­tungs­li­nie des Gewichts wird über den Jus­tier­ad­ap­ter mit der Auf­bau­be­zugs­li­nie in Deckung gebracht. Nach­dem die Kraft­mess­plat­te kali­briert ist, wird die Mes­sung gestar­tet. Der Fuß wird nach hin­ten (in die Aus­gangs­la­ge) und anschlie­ßend inner­halb der Füh­rungs­schie­nen gleich­mä­ßig in der Sagit­tal­ebe­ne nach vor­ne bewegt. Der Pro­the­sen­fuß durch­läuft einen voll­stän­di­gen Abroll­vor­gang mit einem Bewe­gungs­um­fang von –20° bis +40° (Abb. 3). Jede Mes­sung erfolgt drei­mal, aus den gewon­ne­nen Daten wird der Mit­tel­wert berechnet.

Daten­ana­ly­se

Ver­ein­facht gesagt ver­hält sich ein Pro­the­sen­fuß wäh­rend des Abroll­vor­gangs wie ein rol­len­des Rad (sie­he Abb. 1). Vor­an­ge­hen­de Publi­ka­tio­nen 13 14 haben gezeigt, dass der Krüm­mungs­ra­di­us nicht kon­stant ist. Aus die­sem Grund wird der Radi­en­ver­lauf berech­net und ana­ly­siert. Zur Ana­ly­se des Radi­en­ver­laufs wird zu jedem Zeit­punkt der ent­spre­chen­de Momen­tan­ra­di­us berech­net. Er ist als die ers­te Ablei­tung des Druck­mit­tel­punk­tes zum Win­kel defi­niert 15:

For­mel 1 Berech­nung des Momentanradius.

Die Wer­te des Momen­tan­ra­di­us wer­den auf die Fuß­län­ge ska­liert und sind daher dimen­si­ons­los. Dies ermög­licht einen ein­fa­che­ren Ver­gleich unter­schied­li­cher Fußgrößen.

Ergeb­nis­se

Gang­ana­ly­se

Alle gemes­se­nen Pro­the­sen­fü­ße wei­sen im mitt­le­ren Drit­tel einen grö­ße­ren Radi­us auf als im Fer­sen- und Bal­len­be­reich (Abb. 4). Bei vier von sechs Füßen nimmt der Momen­tan­ra­di­us bis zum Maxi­mum gleich­mä­ßig zu und anschlie­ßend gleich­mä­ßig ab, ohne ein Pla­teau im Bereich des Maxi­mums aus­zu­bil­den. Die Stei­gun­gen der Kur­ven zei­gen Unter­schie­de in der Geschwin­dig­keit der Radi­en­än­de­rung auf. Füße, die ein Pla­teau aus­bil­den, zei­gen einen schnel­len Über­gang zwi­schen gro­ßem und klei­nem Radi­us. Bei vier Füßen erfolgt die Zunah­me des Momen­tan­ra­di­us deut­lich lang­sa­mer als die Abnah­me. Die Wer­te für den maxi­ma­len Momen­tan­ra­di­us lie­gen bei fünf Füßen zwi­schen 2,3 und 3,1. Bei einem Fuß liegt der maxi­ma­le Momen­tan­ra­di­us bei einem Wert von ca. 4 und bil­det dort ein Pla­teau aus.

Unter­schie­de in der Abroll­kur­ve kön­nen auch bei ver­schie­de­nen Test­per­so­nen mit glei­chem Fuß­pas­s­teil beob­ach­tet wer­den. In der Gra­fik oben sind bei­spiel­haft die anwen­der­be­zo­ge­nen Abroll­kur­ven für ein Fuß­pas­s­teil dar­ge­stellt (Abb. 5).

Prüf­stand

Die Prüf­stands­tests erge­ben, dass alle Füße im mitt­le­ren Drit­tel einen grö­ße­ren Radi­us als im Fer­sen- und Bal­len­be­reich auf­wei­sen (Abb. 6). Bei vier von sechs Füßen nimmt der Momen­tan­ra­di­us bis zum Maxi­mum gleich­mä­ßig zu. Anschlie­ßend ver­harrt der Momen­tan­ra­di­us für eine gewis­se Zeit im Bereich des Maxi­mums, bevor er wie­der gleich­mä­ßig abnimmt. Die Wer­te des maxi­ma­len Momen­tan­ra­di­us betra­gen zwi­schen 1,8 und 2,4. Bei zwei Füßen liegt der maxi­ma­le Momen­tan­ra­di­us über einem Wert von 3.

Ver­gleich

Beim Ver­gleich der Kur­ven aus der Gang­ana­ly­se und den Prüf­stands­tests fal­len Ähn­lich­kei­ten, aber auch Unter­schie­de auf. Die Kur­ven aus dem Prüf­stand zei­gen über­wie­gend einen tra­pez­för­mi­gen Ver­lauf, die Kur­ven aus der Gang­ana­ly­se über­wie­gend einen run­den Ver­lauf. Füße mit einem gro­ßen maxi­ma­len Momen­tan­ra­di­us in der Gang­ana­ly­se haben die­sen auch in den Prüf­stands­re­sul­ta­ten (Abb. 7).

In ver­schie­de­nen Stu­di­en 16 17 wur­de die effek­ti­ve Fuß­län­ge und deren Ein­fluss auf den Gang unter­sucht. Hier­bei wur­de die effek­ti­ve Fuß­län­ge über die Distanz zwi­schen der Fer­se und dem Ende der ROS-Kur­ve defi­niert. Im Unter­schied dazu wird in die­ser Unter­su­chung der Bereich ana­ly­siert, in dem der Fuß einen Momen­tan­ra­di­us über dem Wert 1 auf­weist. Die­ser Bereich wird im Fol­gen­den als „Balan­ce-Zone” bezeich­net. Hin­ter­grund ist die Annah­me, dass an die­ser Stel­le – über eine klei­ne Win­kelän­de­rung des Unter­schen­kels – eine gro­ße CoP-Ände­rung statt­fin­det. Der Anwen­der hat somit die Mög­lich­keit, die Balan­ce zu hal­ten 18. Dabei zeigt sich, dass die gemes­se­ne Balan­ce-Zone bei den Test­per­so­nen ten­den­zi­ell grö­ßer ist als beim Prüf­stand (Abb. 8).

Im Ver­gleich der mitt­le­ren Stan­dard­ab­wei­chung der Momen­tan­ra­di­en bei­der Mess­prin­zi­pi­en zei­gen sich deut­li­che Unter­schie­de: Die Prüf­stands­mes­sung weist eine deut­lich gerin­ge­re Stan­dard­ab­wei­chung auf (Abb. 9).

Dis­kus­si­on

Die Resul­ta­te der bei­den Mess­prin­zi­pi­en unter­schei­den sich in vie­len Berei­chen wie zum Bei­spiel in der Balan­ce-Zone. In ande­ren Berei­chen, wie bei­spiels­wei­se dem maxi­ma­len Momen­tan­ra­di­us, zei­gen sich Ähn­lich­kei­ten. Da das Mess­prin­zip gro­ßen Ein­fluss auf die Ergeb­nis­se hat, ist bei der Inter­pre­ta­ti­on bezie­hungs­wei­se dem direk­ten Ver­gleich ver­schie­de­ner ROS-Stu­di­en Vor­sicht geboten.

Als Grün­de für die abwei­chen­den Resul­ta­te bei den maxi­ma­len Momen­tan­ra­di­en und der Balan­ce-Zone kom­men ver­schie­de­ne Ursa­chen in Fra­ge, zum Bei­spiel die Ver­wen­dung eines Neu­tral­schuhs oder die Posi­tio­nie­rung des Pro­the­sen­fu­ßes. Zudem zeigt die Ver­ti­kal­kraft bei der Gang­ana­ly­se eine Dop­pel­hö­cker­kur­ve. Bei den Prüf­stands­tests ist die Ver­ti­kal­kraft eher konstant.

Die per­so­nen­spe­zi­fi­schen Abroll­kur­ven kön­nen eben­falls ver­schie­de­ne Ursa­chen haben: Die Test­per­so­nen unter­schei­den sich sowohl in ihrem Gewicht als auch in ihrem per­sön­li­chen Gang­mus­ter. Durch die somit abwei­chen­de Kraft­ein­lei­tung in den Fuß dif­fe­ren­ziert sich auch die dar­aus resul­tie­ren­de Ver­for­mung des Fußes.

Obwohl sich die Resul­ta­te der bei­den Unter­su­chungs­me­tho­den unter­schei­den, kön­nen aus den Prüf­stands­da­ten wert­vol­le Infor­ma­tio­nen für die Fuß­ent­wick­lung gewon­nen wer­den. Da die mitt­le­re Stan­dard­ab­wei­chung bei den Prüf­stand­s­er­geb­nis­sen deut­lich gerin­ger ist, kön­nen klei­ne­re Unter­schie­de zwi­schen den Pro­to­ty­pen erkannt werden.

In der Pro­the­sen­fu­ß­ent­wick­lung muss für jede Grö­ße und Gewichts­ka­te­go­rie das Ver­for­mungs­ver­hal­ten des Fußes über­prüft und gege­be­nen­falls ange­passt wer­den. Um das Ver­for­mungs­ver­hal­ten gang­ana­ly­tisch zu unter­su­chen, wer­den in jeder Gewichts­ka­te­go­rie und Grö­ße meh­re­re Test­per­so­nen benö­tigt. Dies stellt in den Rand­grö­ßen eine Her­aus­for­de­rung dar. Ein Lösungs­an­satz ist, die Prü­fung mit dem beschrie­be­nen Prüf­stand durch­zu­füh­ren. Der zu ent­wi­ckeln­de Pro­the­sen­fuß wird hier­bei in einer mitt­le­ren Grö­ße und Gewichts­ka­te­go­rie gang­ana­ly­tisch unter­sucht. Wenn die objek­ti­ven Ergeb­nis­se und das sub­jek­ti­ve Emp­fin­den der Test­per­so­nen posi­tiv sind, wird der Pro­the­sen­fuß im Prüf­stand gemes­sen und die ent­spre­chen­de Prüf­stands-Soll­kur­ve gene­riert. Um die Soll­kur­ve für alle Grö­ßen anzu­wen­den, wird sie auf die Fuß­län­ge ska­liert. Die Mess­re­sul­ta­te der unter­schied­li­chen Kate­go­rien und Grö­ßen kön­nen nun mit der Soll­kur­ve direkt ver­gli­chen wer­den. Somit kann sicher­ge­stellt wer­den, dass bei jeder Kate­go­rie und Grö­ße ein har­mo­ni­sches Abroll­ver­hal­ten besteht.

Für die Autoren:
Dipl.-Ing. (FH) Gabri­el A. Tschupp
F&E Ortho­pä­die
Medi GmbH & Co. KG
Medi­cus­stra­ße 1
95448 Bay­reuth
g.tschupp@medi.de

Begut­ach­te­ter Beitrag/reviewed paper

Zita­ti­on
Tschupp GA, Nis­sels V, Uhlig J. Roll over shape-Mes­sung: Ver­gleich zwei­er Mess­me­tho­den und Anwend­bar­keit in der Pro­the­sen­fu­ß­ent­wick­lung. Ortho­pä­die Tech­nik, 2014; 65 (12): 24–28
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