Sys­tem zur Über­wa­chung der Scher­kräf­te und des Drucks auf den Stumpf der unte­ren Extre­mi­tät mit Tool­box zur kohä­ren­ten Visua­li­sie­rung der Daten

S.-T. Ko, J. Charnley, V. Dejke
Zahlreiche Untersuchungen konzentrieren sich auf die Verbesserung des Schaftkomforts und die Minimierung von Weichteilschäden, die stark mit den normalen und den Scherbelastungen auf den Stumpf verbunden sind. Doch nur wenige Entwicklungen auf diesem Gebiet zielen gleichzeitig auf Druck- und Scherkraftmessungen an der Stumpf-Schaft-Schnittstelle ab. Und selbst wenn die Belastungen an der Schnittstelle überwacht werden, müssen die Informationen sowohl für Untersucher und als auch für Menschen mit Amputation umfassend sein, um die Gesundheit des Stumpfes zu verbessern. In diesem Zusammenhang wurde ein Intra-Schaft-Überwachungssystem entwickelt, das gleichzeitig Druck- und Scherkräfte sowie externe Gangereignisse aufzeichnet. Dazu wurde eine digitale Toolbox entwickelt, die eine kohärente Visualisierung der Daten in einer 2D-Darstellung des Stumpfes ermöglicht. In einer Pilotstudie mit einem Probanden wurde die Tauglichkeit des Überwachungssystems und der Toolbox erfolgreich evaluiert.

Ein­lei­tung

Die Prä­va­lenz von Stumpf­pro­ble­men bei Men­schen mit Ampu­ta­ti­on der unte­ren Extre­mi­tät ist eine bekann­te Her­aus­for­de­rung; Schwie­rig­kei­ten im Zusam­men­hang mit der Schaft­an­pas­sung wer­den von Betrof­fe­nen häu­fig berich­tet. Ein idea­ler Pro­the­sen­schaft muss Sta­bi­li­tät und Kon­trol­le, eine kor­rek­te Last­über­tra­gung und eine effi­zi­en­te Anpas­sung bie­ten, aber auch bequem für den Benut­zer sein 1 2 3 4 5.

Anzei­ge

Vie­le Unter­su­chun­gen über Schaft­innendruckmessungen haben sich auf das Design von Pro­the­sen­schäf­ten kon­zen­triert, um deren Pass­form und Kom­fort zu ver­bes­sern. Es gibt zwei Haupt­ty­pen von Schäften:

  • Schäf­te mit Total-Flä­chen­kon­takt (TSB) und
  • Schäf­te mit spe­zi­fi­schem Flä­chen­kon­takt (SSB).

TSB-Schäf­te ver­tei­len die Last gleich­mä­ßig über den Stumpf und ver­hin­dern loka­le Druck­spit­zen, wäh­rend SSB-Schäf­te so kon­zi­piert sind, dass sie druck­emp­find­li­che Regio­nen des Stump­fes ent­las­ten, indem sie mehr Last auf tole­ran­te Berei­che ver­tei­len 6 7 8.

Die der­zeit auf dem neu­es­ten Stand der Tech­nik befind­li­chen Pro­the­sen­schäf­te wei­sen fes­te, star­re For­men auf, die kei­ne Schwan­kun­gen des Stumpf­vo­lu­mens aus­glei­chen kön­nen 9. Sol­che Schwan­kun­gen kön­nen auf­grund von Fak­to­ren wie Ernäh­rung, Umwelt­be­din­gun­gen und wäh­rend der post­ope­ra­ti­ven Gene­sung auf­tre­ten 10 11 12. Dar­über hin­aus ist der Stumpf wäh­rend der Ver­wen­dung des Schaf­tes einer unna­tür­li­chen Umge­bung aus­ge­setzt, z. B. einem bestimm­ten Druck, einer Scher­be­las­tung und erhöh­ter Feuch­tig­keit 13. Dazu im Einzelnen:

  • Der kon­stan­te Druck an der Schnitt­stel­le zwi­schen Stumpf und Schaft ver­rin­gert die Durch­blu­tung der Haut und des dar­un­ter lie­gen­den Weich­ge­we­bes, was zu Ischä­mie und Gewe­be­ne­kro­se füh­ren kann.
  • Rei­bung („rut­schen­de“ Sche­rung) kann zur Bla­sen­bil­dung füh­ren; tan­gen­tia­le („nicht rut­schen­de“) Sche­rung beein­träch­tigt das dar­un­ter lie­gen­de Gewe­be, wenn auch in gerin­ge­rem Maße.
  • Erhöh­te Feuch­tig­keit an der Schnitt­stel­le zwi­schen Stumpf und Schaft, z. B. durch Schwit­zen, erhöht die Rei­bung und ver­rin­gert den mecha­ni­schen Wider­stand der Haut 14.

Ver­än­de­run­gen des Stumpf­volumens ver­än­dern auch die Span­nungs­ver­tei­lung an der Schnitt­stel­le zum Schaft 15. Die Nütz­lich­keit von Span­nungs- und Tem­pe­ra­tur­sen­so­ren inner­halb des Schaf­tes zur Ver­bes­se­rung der Pass­form und des Kom­forts des Schaf­tes wird sowohl in der Lite­ra­tur als auch von den Betrof­fe­nen und Fach­leu­ten (d. h. Men­schen mit Ampu­ta­ti­on und deren Ver­sor­ger) sehr geschätzt 16 17 18 19 20 21. Den­noch konn­ten in der Lite­ra­tur nur sehr weni­ge Ent­wick­lun­gen für gleich­zei­ti­ge Druck- und Scher­kraft­mes­sun­gen ermit­telt wer­den 22 23 24. Außer­dem hängt der Wert die­ser Infor­ma­tio­nen für die Betei­lig­ten in hohem Maße von ihrer Kohä­renz und Klar­heit ab 25 26 27.

Die­ser Arti­kel beschreibt ein Über­wa­chungs­ge­rät, das gleich­zei­tig Druck und Scher­kräf­te an der Schnitt­stel­le zwi­schen Stumpf und Schaft misst, sowie einen sys­te­ma­ti­schen Ansatz zur kohä­ren­ten Dar­stel­lung der auf die­se Wei­se gewon­ne­nen Daten. Zudem wur­de eine Mach­bar­keits­stu­die mit einem ein­zel­nen Pati­en­ten mit Ober­schen­kel­am­pu­ta­ti­on durch­ge­führt, die im Abschnitt „Imple­men­tie­rung und Ergeb­nis­se“ beschrie­ben wird.

Metho­dik

Im Rah­men des Rah­men­pro­gramms für For­schung und Inno­va­ti­on der Euro­päi­schen Uni­on „Hori­zont 2020“ wur­de das „SocketSense“-Projekt ent­wi­ckelt. Dabei han­delt es sich um:

  1. ein kabel­lo­ses Über­wa­chungs­sys­tem, das gleich­zei­tig den Druck inner­halb des Schaf­tes, die Scher­kräf­te und die Gang­pha­sen­er­ken­nung misst;
  2. eine Tool­box für bidi­rek­tio­na­le Kon­ver­tie­run­gen zwi­schen Mes­sun­gen des Drucks inner­halb des Schaf­tes im 3D-Raum und des­sen Dar­stel­lun­gen im 2D-Raum.

In einer Ver­öf­fent­li­chung von Neu­mann et al. 28 wur­den die Daten zum Druck im Schaft in 2D-Blö­cken dar­ge­stellt, die mit den ent­spre­chen­den ana­to­mi­schen Kom­par­ti­men­ten gepaart waren. Die hier vor­ge­stell­te Tool­box baut dar­auf auf, indem sie eine Metho­de zur Erstel­lung von 2D-Dar­stel­lun­gen der indi­vi­du­el­len Extre­mi­tä­ten mit kos­ten­güns­ti­gen und weit­hin zugäng­li­chen Tools bie­tet. Ziel ist es, eine visu­el­le Dar­stel­lung der Belas­tun­gen im Schaft in einem sowohl für Ärz­te als auch für Men­schen mit Ampu­ta­ti­on ver­ständ­li­chen For­mat zu liefern.

Das Über­wa­chungs­sys­tem

Das bis dato ent­wi­ckel­te Sen­sor­sys­tem kann Daten von bis zu fünf Sen­sor­strei­fen auf­zeich­nen – in jeder Kom­bi­na­ti­on von Scher­kraft und Druck. Dies ermög­licht min­des­tens einen Sen­sor­strei­fen in jedem Qua­dran­ten (ante­rior, pos­te­ri­or, medi­al, late­ral) und einen zusätz­li­chen Strei­fen, falls mehr Infor­ma­tio­nen gewünscht wer­den. Die Sen­so­ren bestehen aus einer druck­ab­hän­gi­gen leit­fä­hi­gen Tin­te (QTSSTM 29), die im Sieb­druck­ver­fah­ren auf ein dün­nes, fle­xi­bles PET-Sub­strat auf­ge­bracht wird, um den Ein­fluss auf die Schaft­geo­me­trie zu mini­mie­ren. Der Druck­sen­sor­strei­fen besteht aus acht Sen­sor­ele­men­ten (soge­nann­ten Sen­sels), die jeweils einen Durch­mes­ser von 10 mm haben, in gleich­mä­ßi­gen Abstän­den von 50 mm ange­ord­net und < 0,3 mm dick sind (Abb. 1a). Die Druck­strei­fen kön­nen auf jede gewünsch­te Län­ge zuge­schnit­ten wer­den, damit sie in den Schaft pas­sen. Jeder Scher­kraft­sen­sor besteht aus vier Flü­geln, die Infor­ma­tio­nen über die Rich­tung der Scher­kraft lie­fern. Auf das PET-Sub­strat wird ein Nitril­gum­mi-Puck geklebt, sodass die Gesamt­di­cke < 2 mm beträgt (Abb. 1b). Eine voll­stän­di­ge Beschrei­bung des Sen­sor­sys­tems fin­det sich im Arti­kel von Dejke et al. 30.

In das Sys­tem ist ein Gang­mo­ni­tor inte­griert, um eine Bezie­hung zwi­schen den Belas­tungs­in­for­ma­tio­nen und dem Gang­zy­klus her­zu­stel­len. Der von Össur ent­wi­ckel­te IMU-basier­te Gang­mo­ni­tor erkennt den Fer­sen­auf­tritt, die mitt­le­re Stand­pha­se, den Zehen­ab­stoß und die mitt­le­re Schwungphase.

Die Sen­so­ren und der Gang­mo­ni­tor sind mit einem Haupt­ge­rät zur Daten­über­nah­me an der Außen­sei­te des Schafts ver­bun­den, das mit einer SD-Kar­te zur Daten­spei­che­rung aus­ge­stat­tet ist. Das gesam­te Sys­tem ist bat­te­rie­be­trie­ben; es han­delt sich somit um ein kabel­lo­ses Gerät (Abb. 2).

Die Sen­sor­strei­fen las­sen sich nach­träg­lich in jeden Pro­the­sen­schaft ein­bau­en (aller­dings wur­den sie bis­her nur mit Schäf­ten mit Locking-Pin getes­tet). Der dop­pel­sei­ti­ge Kle­ber lässt sich leicht ent­fer­nen, ohne den Schaft dau­er­haft zu verändern.

Die bidi­rek­tio­na­le Konvertierungs-Toolbox

Die bidi­rek­tio­na­le Kon­ver­tie­rungs-Tool­box besteht aus zwei Teilen:

  • aus der Über­set­zung zwi­schen phy­si­schem und digi­ta­lem Schaft oder Stumpf sowie
  • aus der Kon­ver­tie­rung zwi­schen 3D-Raum und 2D-Ebene.

Kon­ver­tie­rung zwi­schen phy­si­schem und digi­ta­lem Raum

Beim 3D-Scan­nen wird der phy­si­sche Schaft oder Stumpf in ein digi­ta­les Modell über­setzt, sodass die Span­nungs­ver­tei­lung auf einer digi­ta­len Dar­stel­lung des Stump­fes abge­bil­det wer­den kann. Eine bidi­rek­tio­na­le Über­set­zung ist nur mög­lich, wenn der phy­si­sche und der digi­ta­le Schaft bzw. Stumpf im Raum auf­ein­an­der aus­ge­rich­tet sind. Dies kann durch die Defi­ni­ti­on eines gegen­sei­ti­gen Refe­renz­ko­or­di­na­ten­sys­tems in Bezug auf den glo­ba­len Koor­di­na­ten­rah­men erreicht wer­den (Abb. 3).

Kon­ver­tie­rung zwi­schen 2D- und 3D-Raum

Die sys­te­ma­ti­sche Dis­kre­ti­sie­rung (Daten-Seg­men­tie­rung) des Schafts bzw. Stumpfs stellt die Inte­gri­tät des Modells sicher – dies erfolgt durch Nach­ver­fol­gung der ana­to­mi­schen Abbil­dung und Aus­rich­tung wäh­rend des Kon­ver­tie­rungs­pro­zes­ses von 3D nach 2D. Die Dis­kre­ti­sie­rung soll­te erst durch­ge­führt wer­den, nach­dem der Schaft bzw. Stumpf im Raum aus­ge­rich­tet wurde:

  • Die Win­kel­dis­kre­ti­sie­rung (Abb. 4a) beginnt bei der BL (wie in Abb. 3 defi­niert), die auf 0 Grad aus­ge­rich­tet ist; die Seg­men­tie­rung erfolgt in 30-Grad-Schrit­ten, bis die BL wie­der erreicht ist.
  • Die lon­gi­tu­di­na­le Dis­kre­ti­sie­rung (Abb. 4a) beginnt bei BL und erfolgt in dista­ler Rich­tung in 50-mm-Schritten.

Sobald das digi­ta­le Modell seg­men­tiert ist, kann es in eine 2D-Kar­te des Schafts bzw. Stumpfs zer­legt und mit den Bezeich­nun­gen für die ent­spre­chen­den ana­to­mi­schen Regio­nen beschrif­tet wer­den. Ein­zel­ne Sen­sels kön­nen auf der Grund­la­ge der Ana­to­mie loka­li­siert wer­den. Um Infor­ma­tio­nen wie z. B. die Plat­zie­rung der Sen­so­ren von der 2D-Kar­te auf den phy­si­schen Schaft zu über­tra­gen, wur­den ein Schaft-Koor­di­na­ten­sys­tem und eine Seg­men­tie­rungs­vor­rich­tung (Abb. 4a) erstellt.

Es wird emp­foh­len, die Druck­sen­sor­strei­fen an pro­ble­ma­ti­schen Stel­len zu plat­zie­ren, die für den Anwen­der (= Pro­the­sen­trä­ger) spe­zi­fisch sind. Wenn es kei­ne beson­de­ren Regio­nen gibt, die von Inter­es­se sind, wird emp­foh­len, in jedem Qua­dran­ten (ante­rior, pos­te­ri­or, medi­al, late­ral) jeweils einen Strei­fen anzu­brin­gen, um ein voll­stän­di­ges Bild der Span­nun­gen im Schaft zu erhal­ten. Um die Inte­gri­tät der vom Sche­rungs­sen­sor gelie­fer­ten Infor­ma­tio­nen zu ver­bes­sern, soll­te die­ser in der Nähe min­des­tens eines Druck­sen­sors ange­bracht wer­den. Letzt­end­lich liegt es jedoch im Ermes­sen des Unter­su­chers, wo er die Sen­so­ren im Schaft des Anwen­ders am bes­ten positioniert.

Visua­li­sie­rung der Daten

Es wur­de eine Desk­top-Anwen­dung ent­wi­ckelt, die die Visua­li­sie­rung der Druck­ver­tei­lung im Schaft auf per­so­na­li­sier­ten ana­to­mi­schen Kar­ten ermög­licht. Eine kubi­sche Inter­po­la­ti­on wird ver­wen­det, um den Druck zwi­schen den ein­zel­nen Sen­seln zu schät­zen. Die Druck­ver­tei­lun­gen kön­nen nach Akti­vi­tät oder als Mit­tel­wert in Abhän­gig­keit vom Gang­zy­klus wäh­rend des Gehens visua­li­siert wer­den. Die von den ein­zel­nen Sen­sels auf­ge­zeich­ne­ten Druck­pro­fi­le mit Mit­tel­wert und Stan­dard­ab­wei­chung kön­nen eben­falls ange­zeigt werden.

Imple­men­tie­rung und Ergebnisse

Ein ein­zel­ner Pro­band (80 kg, männ­lich, Ober­schen­kel­am­pu­ta­ti­on, K‑Level 4) wur­de rekru­tiert, um sta­ti­sche und dyna­mi­sche Akti­vi­tä­ten mit dem Über­wa­chungs­sys­tem durch­zu­füh­ren, das in eine PETG-Nach­bil­dung sei­nes eige­nen Direct Sockets inte­griert war (Abb. 5) 31.

Phy­si­ka­li­sche Vor­be­rei­tung des Schaftes

Der nach­ge­bil­de­te Schaft wur­de mit Hil­fe des Koor­di­na­ten­sys­tems und der Dis­kre­ti­sie­rungs­vor­rich­tung aus­ge­rich­tet und dis­kre­ti­siert (Abb. 4a). Der Schaft wur­de mit Hil­fe von Stan­dard-Pyra­mi­den­auf­sät­zen an einer rotie­ren­den Win­kel­mes­ser­schei­be auf der Basis der Vor­rich­tung befes­tigt. Ein Stück Schnur wur­de an den BL- und BM-Punk­ten (wie in Abb. 3 defi­niert) befes­tigt und ein Lot, zur Dar­stel­lung der Auf­bau­be­zugs­li­nie, in der Mit­te der Schnur, die mit dem dista­len Ende des Schaf­tes über­ein­stimmt, auf­ge­hängt; der Win­kel des Schaf­tes wur­de mit dem Pyra­mi­de­n­ad­ap­ter ein­ge­stellt. Zur Mar­kie­rung des Schafts ent­lang der Längs­ach­se wur­de ein in 50-mm-Schrit­ten fest­ge­leg­ter Mar­kie­rungs­stab­hal­ter ver­wen­det. Die Höhe des Hal­ters wur­de ange­passt, indem Abstands­hal­ter unter die Grund­plat­te gelegt wur­den, um sicher­zu­stel­len, dass der Ursprung auf der BL lag. Der Schaft wur­de in jedem 30-Grad-Radi­al­schritt mar­kiert (Abb. 4b).

Vir­tu­el­le Vor­be­rei­tung des Schafts

Es wur­de ein 3D-Scan einer Posi­tiv­form des Stump­fes der Test­per­son mit dem Schaf­trand erstellt und mit dem Pro­gramm „Mesh­mi­xer“ (Auto­desk Inc.) berei­nigt 32. Das dar­aus resul­tie­ren­de Ober­flä­chen­mo­dell wur­de in „Solid­works“ impor­tiert 33, wo ein Makro erstellt wur­de, um das 3D-Modell aus­zu­rich­ten, zu dis­kre­ti­sie­ren und in eine 2D-Kar­te zu ver­wan­deln. Die dar­aus resul­tie­ren­de Kar­te wur­de per „Inkscape“ ana­to­misch beschrif­tet 34.

Inte­gra­ti­on der Sensoren

In die­ser Stu­die wur­de die Plat­zie­rung der Sen­so­ren auf der Grund­la­ge von Erkennt­nis­sen aus der Lite­ra­tur auf bestimm­te ana­to­mi­sche Stel­len aus­ge­rich­tet 35 36 37 38 39. Die 2D-Kar­te des Stump­fes wur­de mit den Ren­de­rings der Sen­sor­strei­fen über­la­gert, die auf dem phy­si­schen Schaft repli­ziert wur­den. Es wur­den zwei Tests mit unter­schied­li­chen Sen­sor­kon­fi­gu­ra­tio­nen durchgeführt:

  • Der ers­te Test wur­de mit fünf Druck­sen­sor­strei­fen durch­ge­führt, um die Berei­che mit hohem Druck und mög­lichst viel Ober­flä­che des Schafts abzu­de­cken (Abb. 6).
  • Der zwei­te Test kon­zen­trier­te sich dar­auf, die Durch­führ­bar­keit gleich­zei­ti­ger Druck- und Scher­kraft­mes­sun­gen zu bewer­ten, wes­halb zwei Scher­kraft­sen­so­ren und zwei Druck­sen­so­ren ver­wen­det wurden.

Die Scher­kraft­sen­so­ren wur­den im pro­xi­ma­len pos­te­rio­ren und im dista­len ante­ro­la­te­ra­len Bereich plat­ziert. Die Druck­sen­sor­strei­fen wur­den so befes­tigt, dass sich min­des­tens ein Druck­sen­sor neben jedem Scher­kraft­sen­sor befand (Abb. 7a). Die Daten­mess­ein­heit und die Power­bank wur­den außen am Schaft mit Sili­kon­pads und mit­tels mit Sili­kon aus­ge­klei­de­ten Man­schet­ten befes­tigt, um Sta­bi­li­tät und Stoß­schutz zu gewähr­leis­ten (Abb. 8). Schließ­lich wur­de der Gang­mo­ni­tor angebracht.

Pro­ban­den­test

Vor den Tests wur­de jeder Druck­sen­sor kali­briert. Der Pro­band führ­te in bei­den Tests die glei­chen Auf­ga­ben durch. Die­se sind der Rei­he nach in Tabel­le 1 auf­ge­führt. Nach dem Anle­gen des Schaf­tes hat­te der Pro­band Zeit, sich an den Schaft zu gewöh­nen. Er berich­te­te, dass sich der Schaft für die Dau­er des Tests nicht unan­ge­nehm oder unge­wöhn­lich anfühlte.

Die Desk­top-Anwen­dung dien­te zur Über­prü­fung der auf­ge­zeich­ne­ten Daten. Wie­der­hol­te zykli­sche Druck­pro­fi­le zei­gen sich beim Gehen auf ebe­nem Boden. Mitt­le­rer Druck und Stan­dard­ab­wei­chung als Funk­ti­on des Gang­zy­klus wer­den für ein­zel­ne Sen­sels ange­zeigt (Abb. 9 rechts). Die mitt­le­ren Druck­ver­tei­lun­gen bei Gang­er­eig­nis­sen wer­den auf der 2D-Kar­te des Stump­fes des Pro­ban­den mit Hil­fe eines Farb­bal­kens dar­ge­stellt (Abb. 9 links). Druck­spit­zen sind in der pro­xi­ma­len media­len Regi­on wäh­rend des Auf­set­zens der Fer­se und der mitt­le­ren Stand­pha­se sicht­bar (Abb.  9a u b). Ins­ge­samt ist der maxi­ma­le Druck im dista­len late­ra­len Kom­par­ti­ment wäh­rend der mitt­le­ren Stand­pha­se zu beob­ach­ten (Abb. 9b).

Die Scher­kraft­mes­sun­gen waren durch wie­der­hol­te zykli­sche Mus­ter gekenn­zeich­net, die wie erwar­tet mit den Druck­pro­fi­len über­ein­stimm­ten (Abb. 10). An der pro­xi­ma­len pos­te­rio­ren Stel­le sind grö­ße­re Scher­kraft­va­ria­tio­nen zu erken­nen als in der dista­len late­ra­len Regi­on; aller­dings sind die Scher­kraft­wer­te in der dista­len late­ra­len Regi­on grö­ßer. Abbil­dung 11 ver­an­schau­licht die indi­vi­du­el­len, gerich­te­ten Scher­kräf­te im dista­len late­ra­len Kompartiment.

Dis­kus­si­on und zukünf­ti­ge Arbeit

In zwei Publi­ka­tio­nen wer­den die Anwen­dun­gen und Vor­tei­le eines Über­wa­chungs­sys­tems wie des in die­sem Arti­kel beschrie­be­nen dis­ku­tiert 40 41. Es kann bei­spiels­wei­se als Dia­gno­se­instru­ment ein­ge­setzt wer­den, das es dem Unter­su­cher und/oder den Anwen­dern ermög­licht, recht­zei­tig auf dro­hen­de Gewe­be­schä­den oder ande­re uner­wünsch­te Ereig­nis­se zu reagie­ren, die auf eine unge­wöhn­lich hohe Belas­tung hinweisen.

Ein wei­te­rer Use Case für ein sol­ches Sys­tem ist die post­ope­ra­ti­ve Ver­sor­gung, bei der die Schwel­len­wer­te für die Belas­tung im Schaft an ver­schie­de­nen ana­to­mi­schen Stel­len fest­ge­legt und wäh­rend der Reha­bi­li­ta­ti­on schritt­wei­se erhöht wer­den können.

Das Über­wa­chungs­sys­tem

Die aus der Eva­lua­ti­on resul­tie­ren­den Belas­tungs­pro­fi­le und Druck­wer­te sind ver­gleich­bar mit den in der Lite­ra­tur genann­ten Wer­ten 42 43 44. Wei­te­re tech­no­lo­gi­sche Fort­schrit­te wür­den den Wert des Sys­tems erhöhen:

  • Ers­tens wür­de die Kali­brie­rung des Scher­kraft­sen­sors es ermög­li­chen, die Span­nung in Pas­cal anzu­zei­gen, was für die Betei­lig­ten kohä­ren­ter wäre. Ein vor­ge­schla­ge­nes Ver­fah­ren wird in 45 beschrieben.
  • Zwei­tens könn­ten Modi­fi­ka­tio­nen am elek­tro­ni­schen Sys­tem vor­ge­nom­men wer­den, um die Mög­lich­kei­ten der QTSSTM-Tin­te zu nut­zen, z. B. die Ver­wen­dung der Druck­sen­so­ren zur gleich­zei­ti­gen Erken­nung von Reibung.

Die Ein­be­zie­hung eines Umge­bungs­sen­sors als Teil des Über­wa­chungs­sys­tems kann Auf­schluss über die Ursa­chen von Ver­än­de­run­gen der Eigen­schaf­ten des Stump­fes geben (z. B. bezüg­lich Volu­men und Feuch­tig­keit bzw. Schweiß), von denen bekannt ist, dass sie die Belas­tung im Schaft beein­flus­sen 46 47 48.

Ein ent­schei­den­der Vor­teil des Geräts ist sei­ne kabel­lo­se Funk­ti­on, die in Zukunft genutzt wer­den kann, um Mes­sun­gen im All­tag durch­zu­füh­ren. Im Rah­men des Socket­Sen­se-Pro­jekts wird das Über­wa­chungs­sys­tem in einer kli­ni­schen Stu­die getes­tet, um ande­re dyna­mi­sche Akti­vi­tä­ten wie das Gehen auf Ram­pen und Trep­pen ein­zu­be­zie­hen. Die Stu­die fin­det sowohl inner­halb als auch außer­halb der Labor­um­ge­bung statt. Für die Stu­die wur­de nur ein Pro­band mit einer Ober­schen­kel­am­pu­ta­ti­on rekru­tiert. Die Autoren gehen davon aus, dass das Gerät auch von Men­schen mit Unter­schen­kel­am­pu­ta­ti­on ohne Ver­än­de­run­gen ver­wen­det wer­den könn­te. Wei­te­re For­schungs­ar­bei­ten soll­ten jedoch durch­ge­führt wer­den, um das Sys­tem­de­sign und die Sen­sor­kon­fi­gu­ra­ti­on für ver­schie­de­ne Ampu­ta­ti­ons­hö­hen zu optimieren.

Die bidi­rek­tio­na­le Konvertierungs-Toolbox

Ziel der Schaf­fung der rudi­men­tä­ren Tool­box, die aus frei ver­füg­ba­ren Tools besteht, war es, ein zugäng­li­ches Ver­fah­ren bereit­zu­stel­len, das auch von Nicht-Exper­ten für prä­zi­se Mess­tech­ni­ken ver­wen­det wer­den kann. In die­ser Stu­die wur­den jedoch zwei spe­zi­el­le Ele­men­te ver­wen­det – das Koor­di­na­ten­sys­tem mit der Dis­kre­ti­sie­rungs­vor­rich­tung sowie das Pro­gramm „Solid­works“. Um die­se Spe­zi­al­tools über­flüs­sig zu machen, wur­de ein alter­na­ti­ver Ansatz für die Vor­rich­tung unter­sucht. Die vor­ge­schla­ge­ne Metho­de ist nach der Sen­sor­in­te­gra­ti­on prak­ti­scher, aller­dings nur dann geeig­net, wenn ein erfah­re­ner Unter­su­cher in der Lage ist, wich­ti­ge ana­to­mi­sche Ori­en­tie­rungs­punk­te am Schaft zu iden­ti­fi­zie­ren, die als Richt­schnur für die Sen­sor­plat­zie­rung die­nen kön­nen. Der ver­ein­fach­te Ansatz zur Defi­ni­ti­on der Sen­sel­po­si­tio­nen gemäß dem Refe­renz­ko­or­di­na­ten­sys­tem lau­tet wie folgt:

  1. Die Win­kel­po­si­ti­on (Abb. 4a) jedes Sen­sor­strei­fens kann ermit­telt wer­den, indem ein 360-Grad-Win­kel­mes­ser im Schaft plat­ziert wird, wobei 0 Grad auf die BL aus­ge­rich­tet ist, und der Win­kel jedes Sen­sor­strei­fens notiert wird.
  2. Die lon­gi­tu­di­na­le Posi­ti­on (Abb. 4a) lässt sich ermit­teln, indem man den Abstand zwi­schen dem dista­len Ende des Schafts und der Mit­te der am wei­tes­ten distal gele­ge­nen Sen­sel misst. Die Höhe jedes Druck­s­en­sels vom dista­len Ende des Schafts aus kann berech­net wer­den, da sie gleich weit von­ein­an­der ent­fernt sind. Die Autoren gehen davon aus, dass das glei­che Aus­rich­tungs­ver­fah­ren für die trans­ti­bia­le Kohor­te ange­wandt wer­den kann, wobei jedoch ande­re ana­to­mi­sche Ori­en­tie­rungs­punk­te erfor­der­lich wären.

Anstel­le von „Solid­works“ kön­nen auch ande­re kos­ten­lo­se Soft­ware­pa­ke­te wie „Blen­der“ 49 oder „OnS­ha­pe“50 ver­wen­det wer­den. Alter­na­tiv dazu zeigt die erfolg­rei­che Imple­men­tie­rung des Algo­rith­mus das Poten­zi­al für eine Halb­au­to­ma­ti­sie­rung des gesam­ten Pro­zes­ses auf, die sich zu einer eigen­stän­di­gen, frei ver­füg­ba­ren Soft­ware ent­wi­ckeln könnte.

Umge­kehrt ist es zwar von Vor­teil, über einen Scan des Stump­fes oder des Schaf­tes des Anwen­ders für die per­so­na­li­sier­te Daten­prä­sen­ta­ti­on zu ver­fü­gen, aber nicht unbe­dingt erfor­der­lich. Statt­des­sen könn­te eine vir­tu­el­le Biblio­thek von Schaft­mo­del­len und Scha­blo­nen­kar­ten mit ver­schie­de­nen Eigen­schaf­ten des Stump­fes (z. B. Län­ge, Umfang, Form) erstellt wer­den. Dadurch erüb­ri­gen sich das 3D-Scan­nen und die anschlie­ßen­de Bear­bei­tung: Das Modell, das den Schaft des Anwen­ders am bes­ten reprä­sen­tiert, wird für die Daten­vi­sua­li­sie­rung ausgewählt.

Dar­stel­lung der Daten

Die Dar­stel­lung von Daten in 3D ist rechen­in­ten­si­ver als in 2D und wohl auch schwie­ri­ger zu ver­ste­hen. Eine 2D-Dar­stel­lung der ana­to­mi­schen Druck­ver­hält­nis­se im Schaft mit einem Farb­bal­ken lie­fert die Daten in einem schnell ver­füg­ba­ren, infor­ma­ti­ven und leicht ver­ständ­li­chen For­mat. Es ist zum Bei­spiel sofort ersicht­lich, ob es Regio­nen mit hoher Belas­tung gibt und wo sich die­se Stel­len am Stumpf befinden.

Das oben erwähn­te Soft­ware­pa­ket könn­te mit einer Benut­zer­ober­flä­che (UI) zur Daten­vi­sua­li­sie­rung kom­bi­niert wer­den, wie sie in der Desk­top-Anwen­dung vor­ge­stellt wird. Die UI muss noch wei­ter­ent­wi­ckelt wer­den, um Scher­kraft­in­for­ma­tio­nen ein­zu­be­zie­hen. Danach könn­ten auf der Grund­la­ge der vom bestehen­den Über­wa­chungs­sys­tem gesam­mel­ten Daten prak­tisch unbe­grenz­te Funk­tio­nen inte­griert wer­den. Eini­ge Bei­spie­le in die­sem Zusammenhang:

  • Visua­li­sie­rung der Druck­ver­tei­lung auf 3D-Ren­de­rings des Schafts,
  • Akti­vi­täts­über­wa­chung in Form von Zäh­lung der täg­li­chen Schritte,
  • indi­zier­te Ver­än­de­run­gen des Volu­mens des Stumpfs sowie
  • lang­fris­ti­ge Belastungsschwankungen.

Fazit

In die­sem Arti­kel wur­den die Grund­la­gen eines kos­ten­güns­ti­gen Stumpf­über­wa­chungs­sys­tems vor­ge­stellt, das leicht um wei­te­re Funk­tio­nen erwei­tert wer­den kann. Die Tool­box wur­de ent­wi­ckelt, um eine kohä­ren­te Daten­vi­sua­li­sie­rung aus dem Über­wa­chungs­sys­tem für ein­fa­che Zugäng­lich­keit und Ein­fach­heit zu ermög­li­chen, sodass sie ohne den Ein­satz von Spe­zi­al­werk­zeu­gen ver­wen­det wer­den kann.

Aus Sicht der Autoren gibt es aber eini­ge Ver­bes­se­run­gen und Bewer­tun­gen, die durch­ge­führt wer­den soll­ten, bevor das Sys­tem in den täg­li­chen Gebrauch und somit in den Markt über­führt wer­den kann. Pri­mär soll­ten Halt­bar­keits­tests wie z. B. Haf­tung der Sen­so­ren am Sockel sowie der Sen­so­ren selbst durch­ge­führt wer­den. Dar­über hin­aus müs­sen die Ände­run­gen der Sen­sor­ei­gen­schaf­ten über den Lang­zeit­ge­brauch und damit der Kali­brier­an­for­de­run­gen bewer­tet wer­den sowie die Tes­tung des Sys­tems mit ande­ren Anschlüs­sen, da bei die­sem Pro­jekt nur Pin-Anschlüs­se getes­tet wur­den. Des Wei­te­ren pla­nen die Autoren an einer Minia­tu­ri­sie­rung der Hard­ware, ins­be­son­de­re der Daten­er­fas­sungs­ein­hei­ten, um die Hand­ha­bung in der Pra­xis zu verbessern.

Finan­zie­rung

Die­se Unter­su­chung wur­de im Rah­men des Pro­jekts „Socket­Sen­se“ durch­ge­führt, das vom For­schungs- und Inno­va­ti­ons­pro­gramm „Hori­zont 2020“ der Euro­päi­schen Uni­on unter der För­der­ver­ein­ba­rung Nr. 825429 finan­ziert wurde.

Für die Autoren:
Siu-Teing Ko, M. Eng. 
Rese­arch Engineer
Cen­ter for New Technologies
Össur hf.
Grjó­tháls 5 
IS-110 Reykja­vík
Island
stko@ossur.com

Begut­ach­te­ter Beitrag/reviewed paper

Zita­ti­on
Ko S‑T, Charn­ley J, Dejke V. Sys­tem zur Über­wa­chung der Scher­kräf­te und des Drucks auf den Stumpf der unte­ren Extre­mi­tät mit Tool­box zur kohä­ren­ten Visua­li­sie­rung der Daten. Ortho­pä­die Tech­nik, 2022; 73 (8): 32–39
  1. Paternò L et al. Resi­du­al limb volu­me fluc­tua­tions in trans­fe­mo­ral ampu­tees. Sci­ence Report, 2021; 11: 1–11
  2. Ibar­ra Agui­la S et al. Inter­face Pres­su­re Sys­tem to Compa­re the Func­tion­al Per­for­mance of Pro­sthe­tic Sockets during the Gait in Peo­p­le with Trans-Tibi­al Ampu­ta­ti­on. Sen­sors, 2020; 20 (24): S.7043
  3. Lar­sen B et al. Per­for­mance of a sen­sor to moni­tor socket fit: Com­pa­ri­son with prac­ti­tio­ner cli­ni­cal assess­ment. Jour­nal of Pro­sthe­tics and Ortho­tics, 2021; 33:. 3–10
  4. Tur­ner S, McGre­gor A. Per­cei­ved effect of socket fit on major lower limb pro­sthe­tic reha­bi­li­ta­ti­on: A cli­ni­ci­an and ampu­tee per­spec­ti­ve. Archi­ves of Reha­bi­li­ta­ti­on Rese­arch and Cli­ni­cal Trans­la­ti­on, 202; 2 (3): S100059
  5. Tur­ner S et al. Issues faced by peo­p­le with amputation(s) during lower limb pro­sthe­tic reha­bi­li­ta­ti­on: A the­ma­tic ana­ly­sis. Pro­sthe­tics and Ortho­tics Inter­na­tio­nal, 2021; 46, Nr. 1, pp. 61–67, 2021
  6. Pater­no L. Sockets for Limb Pro­s­the­ses: A Review of Exis­ting Tech­no­lo­gies and Open Chal­lenges,“ IEEE Tran­sac­tions on Bio­me­di­cal Engi­nee­ring, 2018; 65 (9): 1996–2010
  7. Ste­vens P et al. Trans­ti­bi­al socket design, inter­face, and sus­pen­si­on: A cli­ni­cal prac­ti­ce gui­de­line. Jour­nal of Pro­sthe­tics and Ortho­tics, 2019; 31: 172–178
  8. Muel­ler M. Trans­fe­mo­ral Ampu­ta­ti­on: Pro­sthe­tic Manage­ment. In: Smith, Micha­el, Bow­ker; Atlas of Ampu­ta­ti­ons and Limb Defi­ci­en­ci­es. 4th ed. Ame­ri­can Aca­de­my of Ortho­pae­dic Sur­ge­ons: Rose­mont, 2016: 537–554
  9. Tur­ner S, McGre­gor A. Per­cei­ved effect of socket fit on major lower limb pro­sthe­tic reha­bi­li­ta­ti­on: A cli­ni­ci­an and ampu­tee per­spec­ti­ve. Archi­ves of Reha­bi­li­ta­ti­on Rese­arch and Cli­ni­cal Trans­la­ti­on, 202; 2 (3): S100059
  10. Paternò L et al. Resi­du­al limb volu­me fluc­tua­tions in trans­fe­mo­ral ampu­tees. Sci­ence Report, 2021; 11: 1–11
  11. Tur­ner S et al. Issues faced by peo­p­le with amputation(s) during lower limb pro­sthe­tic reha­bi­li­ta­ti­on: A the­ma­tic ana­ly­sis. Pro­sthe­tics and Ortho­tics Inter­na­tio­nal, 2021; 46, Nr. 1, pp. 61–67, 2021
  12. San­der J, Fato­ne S. Resi­du­al Limb Volu­me Chan­ge: Sys­te­ma­tic Review Mea­su­re­ment and Manage­ment. Jour­nal of Reha­bi­li­ta­ti­on Rese­arch and Deve­lo­p­ment, 2011; 48 (8): 949–986
  13. Meu­len­belt H et al. Skin pro­blems in lower limb ampu­tees: An over­view by case reports. Jour­nal of the Euro­pean Aca­de­my of Der­ma­to­lo­gy and Vene­reo­lo­gy, 2007; 21 (2): 147–155
  14. SANDERS, Joan. Stump-socket inter­face con­di­ti­ons. In: Pres­su­re ulcer rese­arch. Sprin­ger, Ber­lin, Hei­del­berg, 2005. S. 129–147
  15. Pater­no L. Sockets for Limb Pro­s­the­ses: A Review of Exis­ting Tech­no­lo­gies and Open Chal­lenges,“ IEEE Tran­sac­tions on Bio­me­di­cal Engi­nee­ring, 2018; 65 (9): 1996–2010
  16. Ibar­ra Agui­la S et al. Inter­face Pres­su­re Sys­tem to Compa­re the Func­tion­al Per­for­mance of Pro­sthe­tic Sockets during the Gait in Peo­p­le with Trans-Tibi­al Ampu­ta­ti­on. Sen­sors, 2020; 20 (24): S.7043
  17. Lar­sen B et al. Per­for­mance of a sen­sor to moni­tor socket fit: Com­pa­ri­son with prac­ti­tio­ner cli­ni­cal assess­ment. Jour­nal of Pro­sthe­tics and Ortho­tics, 2021; 33:. 3–10
  18. Kwak JW et al. Wire­less sen­sors for con­ti­nuous, mul­ti­mo­dal mea­su­re­ments at the skin inter­face with lower limb pro­s­the­ses. Sci­ence Trans­la­tio­nal Medi­ci­ne, 2020; 12 (574): S. eabc4327
  19. Haf­ner B, San­ders J. Con­side­ra­ti­ons for deve­lo­p­ment of sens­ing and moni­to­ring tools to faci­li­ta­te tre­at­ment and care of per­sons with lower limb loss. Jour­nal of Reha­bi­li­ta­ti­on Rese­arch and Deve­lo­p­ment, 2014; 51 (1): 1
  20. Tran L et al. Stake­hol­der per­spec­ti­ves for pos­si­ble resi­du­al limb moni­to­ring sys­tem for per­sons with lower-limb ampu­ta­ti­on. Disa­bi­li­ty and Reha­bi­li­ta­ti­on, 2020; 42: 63–70
  21. Safa­ri R. Lower limb pro­sthe­tic inter­faces: Cli­ni­cal and tech­no­lo­gi­cal advance­ment and poten­ti­al future direc­tion. Pro­sthe­tics and Ortho­tics Inter­na­tio­nal, 2020; 44: 384–401
  22. Laszc­zak P et al. A pres­su­re and shear sen­sor sys­tem for stress mea­su­re­ment at lower limb residuum/socket inter­face. Medi­cal Engi­nee­ring and Phy­sics, Bd. 38, pp. 695–700, 2016
  23. Appoldt F et al. Tan­gen­ti­al pres­su­re mea­su­re­ments in abo­ve-knee suc­tion sockets. Bul­le­tin of Pro­sthe­tics Rese­arch, 1970; 10 (13): 70–86
  24. Tang J et al. A com­bi­ned kine­ma­tic and kine­tic ana­ly­sis at the residuum/socket inter­face of a knee-dis­ar­ti­cu­la­ti­on ampu­tee. Medi­cal Engi­nee­ring and Phy­sics, 2017; 49: 131–139
  25. Ko S et al. A Sco­ping Review of Pres­su­re Mea­su­re­ments in Pro­sthe­tic Sockets of Trans­fe­mo­ral Ampu­tees during Ambu­la­ti­on: Key Con­side­ra­ti­ons for Sen­sor Design. Sen­sors, 2021; 21 (15): 5016
  26. Neu­mann E et al. Con­cepts of pres­su­re in an ischi­al con­tain­ment socket: Mea­su­re­ment. Jour­nal of Pro­sthe­tics and Ortho­tics, 2005; 17 (1): 2–11
  27. Kah­le J, High­s­mith M. Trans­fe­mo­ral inter­faces with vacu­um assis­ted sus­pen­si­on com­pa­ri­son of gait, balan­ce, and sub­jec­ti­ve ana­ly­sis: ischi­al con­tain­ment ver­sus brim­less. Gait Pos­tu­re, 2014; 40 (2): 315–320
  28. Neu­mann E et al. Con­cepts of pres­su­re in an ischi­al con­tain­ment socket: Mea­su­re­ment. Jour­nal of Pro­sthe­tics and Ortho­tics, 2005; 17 (1): 2–11
  29. Quan­tum Tech­no­lo­gy Super­sen­sors Ltd. Quan­tum Tech­no­lo­gy Super­sen­sorsTM. https://www.quantumtechnologysupersensors.com/ (Zugriff am 29.05.2022)
  30. Dejke V et al. Deve­lo­p­ment of Pro­to­ty­pe Low-Cost QTSS™ Weara­ble Fle­xi­ble More Envi­ro-Fri­end­ly Pres­su­re, Shear, and Fric­tion Sen­sors for Dyna­mic Pro­sthe­tic Fit Moni­to­ring. Sen­sors, 2021; 21 (11): 3764
  31. Össur hf. Direct Socket TF https://www.ossur.com/en-us/prosthetics/sockets/direct-socket-tf. (Zugriff am 29.05.2022)
  32. Auto­desk Inc. Auto­desk Mesh­mi­xer. https://www.meshmixer.com/ (Zugriff am 29.05.2022)
  33. Das­sault Sys­tè­mes Solid­Works Cor­po­ra­ti­on. Solidworkshttps://www.solidworks.com/ (Zugriff am 29.05.2022)
  34. Inkscape Com­mu­ni­ty. Inkscapehttps://inkscape.org/ (Zugriff am 29.05.2022)
  35. Laszc­zak P et al. A pres­su­re and shear sen­sor sys­tem for stress mea­su­re­ment at lower limb residuum/socket inter­face. Medi­cal Engi­nee­ring and Phy­sics, Bd. 38, pp. 695–700, 2016
  36. Appoldt F et al. Tan­gen­ti­al pres­su­re mea­su­re­ments in abo­ve-knee suc­tion sockets. Bul­le­tin of Pro­sthe­tics Rese­arch, 1970; 10 (13): 70–86
  37. Tang J et al. A com­bi­ned kine­ma­tic and kine­tic ana­ly­sis at the residuum/socket inter­face of a knee-dis­ar­ti­cu­la­ti­on ampu­tee. Medi­cal Engi­nee­ring and Phy­sics, 2017; 49: 131–139
  38. Neu­mann E et al. Con­cepts of pres­su­re in an ischi­al con­tain­ment socket: Mea­su­re­ment. Jour­nal of Pro­sthe­tics and Ortho­tics, 2005; 17 (1): 2–11
  39. Thuc T et al. Ana­ly­zing the Shear Stress on the Cont­ac­ting Inter­face During Ambu­la­ti­on with Trans­fe­mo­ral Pro­sthe­sis Socket. 11th Asi­an-Paci­fic Con­fe­rence on Medi­cal and Bio­lo­gi­cal Engi­nee­ring. Pro­cee­dings of the Online Con­fe­rence APCMBE, May 25–27, 2020
  40. Haf­ner B, San­ders J. Con­side­ra­ti­ons for deve­lo­p­ment of sens­ing and moni­to­ring tools to faci­li­ta­te tre­at­ment and care of per­sons with lower limb loss. Jour­nal of Reha­bi­li­ta­ti­on Rese­arch and Deve­lo­p­ment, 2014; 51 (1): 1
  41. Tran L et al. Stake­hol­der per­spec­ti­ves for pos­si­ble resi­du­al limb moni­to­ring sys­tem for per­sons with lower-limb ampu­ta­ti­on. Disa­bi­li­ty and Reha­bi­li­ta­ti­on, 2020; 42: 63–70
  42. Laszc­zak P et al. A pres­su­re and shear sen­sor sys­tem for stress mea­su­re­ment at lower limb residuum/socket inter­face. Medi­cal Engi­nee­ring and Phy­sics, Bd. 38, pp. 695–700, 2016
  43. Tang J et al. A com­bi­ned kine­ma­tic and kine­tic ana­ly­sis at the residuum/socket inter­face of a knee-dis­ar­ti­cu­la­ti­on ampu­tee. Medi­cal Engi­nee­ring and Phy­sics, 2017; 49: 131–139
  44. Neu­mann E et al. Con­cepts of pres­su­re in an ischi­al con­tain­ment socket: Mea­su­re­ment. Jour­nal of Pro­sthe­tics and Ortho­tics, 2005; 17 (1): 2–11
  45. Dejke V et al. Deve­lo­p­ment of Pro­to­ty­pe Low-Cost QTSS™ Weara­ble Fle­xi­ble More Envi­ro-Fri­end­ly Pres­su­re, Shear, and Fric­tion Sen­sors for Dyna­mic Pro­sthe­tic Fit Moni­to­ring. Sen­sors, 2021; 21 (11): 3764
  46. Pater­no L. Sockets for Limb Pro­s­the­ses: A Review of Exis­ting Tech­no­lo­gies and Open Chal­lenges,“ IEEE Tran­sac­tions on Bio­me­di­cal Engi­nee­ring, 2018; 65 (9): 1996–2010
  47. SANDERS, Joan. Stump-socket inter­face con­di­ti­ons. In: Pres­su­re ulcer rese­arch. Sprin­ger, Ber­lin, Hei­del­berg, 2005. S. 129–147.
  48. Paternò L et al.  A per­so­na­li­sed pro­sthe­tic liner with embedded sen­sor tech­no­lo­gy: a case stu­dy. Bio­Me­di­cal Engi­nee­ring OnLine, 2020; 19 (71): S. 1–20
  49. Blen­der Foun­da­ti­on. Blen­der. https://www.blender.org/ (Zugriff am 29.05.2021)
  50. Ons­ha­pe Inc. Ons­ha­pe. https://www.onshape.com/ (Zugriff am 29.05.2022)
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