Test­ver­fah­ren zur Bewer­tung der Sta­bi­li­täts­funk­ti­on von Sprunggelenkorthesen

Ein­lei­tung

Dis­tor­sio­nen im Sprung­ge­lenk gehö­ren zu den häu­figs­ten sport­be­ding­ten Ver­let­zun­gen ^{1 2}. In mehr als 80 % aller Fäl­le han­delt sich dabei um ein Inver­si­ons­trau­ma ³. Der häu­figs­te Ver­let­zungs­me­cha­nis­mus ist eine Zer­rung oder ein Riss der late­ra­len Bän­der, die durch eine über­mä­ßi­ge Inver­si­on – also eine Supi­na­ti­on des Fußes bei gleich­zei­ti­ger Plant­ar­fle­xi­on – her­vor­ge­ru­fen wer­den ⁴. Häu­fig folgt auf die ursprüng­li­che Ver­let­zung auch eine chro­ni­sche Instabilität.

Eine wirk­sa­me Reha­bi­li­ta­ti­on wird durch die mecha­ni­sche Stütz­funk­ti­on von Sprung­ge­lenk­or­the­sen geför­dert ^{5 6}. Auf dem Markt ver­füg­ba­re Orthe­sen ver­fol­gen unter­schied­li­che Lösungs­an­sät­ze und wei­sen je nach ihrer Kon­struk­ti­on unter­schied­lich hohe Unter­stüt­zungs­gra­de auf. Sie wer­den sowohl post­ope­ra­tiv als auch prä­ven­tiv – z. B. beim Sport – ein­ge­setzt. Sowohl bei der Prü­fung der Funk­ti­ons­taug­lich­keit unter extre­men Ein­satz­be­din­gun­gen als auch bei der Tes­tung von Pro­to­ty­pen in einer frü­hen Ent­wick­lungs­pha­se kann die Funk­tio­na­li­tät von Orthe­sen in pro­ban­den­ba­sier­ten Unter­su­chun­gen nur in einem redu­zier­ten Umfang geprüft wer­den. Denn Tests unter kri­ti­schen Bedin­gun­gen, bei­spiels­wei­se ein Umkni­cken, sind ohne Gefähr­dung des Pro­ban­den nicht möglich.

Ver­schie­de­ne inter- und intra­in­di­vi­du­el­le Eigen­schaf­ten des Men­schen sind der Haupt­grund für unter­schied­li­che Ergeb­nis­se in kli­ni­schen Stu­di­en. Daher soll­te zur Ver­bes­se­rung der evi­denz­ba­sier­ten Ent­wick­lung von Sprung­ge­lenk­or­the­sen – zusätz­lich zu bio­me­cha­ni­schen Unter­su­chun­gen – ein repro­du­zier­ba­rer Funk­ti­ons­test in einer kon­trol­lier­ten Labor­um­ge­bung durch­ge­führt wer­den. Ziel der hier vor­ge­stell­ten Stu­die ist es, mit­tels eines mecha­ni­schen stan­dar­di­sier­ten Labor­prüf­ver­fah­rens die Sta­bi­li­täts­funk­ti­on von Orthe­sen anhand objek­ti­ver Daten zu eva­lu­ie­ren. Dazu wur­den die mecha­nisch-funk­tio­nel­len Eigen­schaf­ten von fünf Sprung­ge­lenk­or­the­sen ver­schie­de­ner Her­stel­ler mit unter­schied­li­chen Bau­wei­sen bei aus­ge­wähl­ten Bewe­gungs­ab­läu­fen mit Hil­fe des neu­en Test­ver­fah­rens unter­sucht (Abb. 1).

Mate­ri­al und Methoden

Unter Berück­sich­ti­gung der Ana­to­mie und der Bio­me­cha­nik des mensch­li­chen Fußes ^{7 8 9} wur­de ein mecha­ni­sches Fuß­mo­dell mit inte­grier­ter Sen­so­rik ent­wi­ckelt. Der Test­fuß umfasst meh­re­re inte­grier­te Achsen:

• eine Ach­se für das obe­re Sprunggelenk,
• eine Ach­se für das unte­re Sprunggelenk,
• eine Kom­pro­miss­ach­se für den Mit­tel­fuß­be­reich sowie
• eine Kom­pro­miss­ach­se für die Zehenbewegung.

Eine modi­fi­zier­te hydrau­li­sche Pro­the­sen­fuß­prüf­ma­schi­ne (KS 2–07, Shore Wes­tern, Mon­ro­via, Kali­for­ni­en, USA) dien­te als Aktor. Dabei wur­de der künst­li­che Test­fuß pas­siv in ver­ti­ka­ler Rich­tung auf einen schie­fen Unter­grund bewegt und dadurch in die gewünsch­te Posi­ti­on gebracht, die eine trau­ma­ti­sche Gelenk­stel­lung imi­tiert (Abb. 2). Für die Unter­su­chung der mecha­ni­schen Eigen­schaf­ten ver­schie­de­ner Orthe­sen­de­signs wur­den meh­re­re kraft­ge­steu­er­te Tests bis 400 N durch­ge­führt. So wur­de sowohl eine rei­ne Supi­na­ti­ons- als auch eine Kom­bi­na­ti­ons­be­we­gung aus Supi­na­ti­on und Plant­ar­fle­xi­on im Sin­ne einer Inver­si­on durchgeführt.

Die ver­wen­de­ten Orthe­sen wei­sen unter­schied­li­che Bau­wei­sen auf und nut­zen ver­schie­de­ne Lösungs­an­sät­ze, um eine Sta­bi­li­sie­rung des Sprung­ge­lenks zu errei­chen. Dabei kom­men Luft­pols­ter, star­re Ele­men­te uni- und bila­te­ral sowie tex­ti­le Gur­te unter­schied­li­cher Stei­fig­kei­ten zum Ein­satz (Abb. 3).

Bei der Durch­füh­rung des Expe­ri­ments wur­de für alle Ver­su­che der glei­che Schuh­typ (Her­ren-Leder­schuh, Grö­ße 43) ver­wen­det. Es wur­den jeweils drei Ver­su­che je Prüf­ling durch­ge­führt. Dabei dien­te die Mes­sung ohne Orthe­se als Referenz.

Die Bewe­gun­gen im unte­ren und obe­ren Sprung­ge­lenk des Fuß­mo­dells wur­den mit Hil­fe inte­grier­ter Poten­tio­me­ter mit einer Fre­quenz von 4000 Hz gemes­sen. Zusätz­lich wur­den die Maschi­nen­sensor­da­ten (Hub­zy­lin­der­po­si­ti­on, Kräf­te, Dreh­mo­ment) mit 1000 Hz aufgezeichnet.

Ergeb­nis­se

Durch Aus­wer­tung der Daten des inte­grier­ten Sen­sors konn­ten deut­li­che Unter­schie­de im Bewe­gungs­um­fang sowohl bei einer rei­nen Supi­na­ti­on als auch bei der Kom­bi­na­ti­ons­be­we­gung gemes­sen wer­den. So wur­de für den rei­nen Supi­na­ti­ons­test ohne sta­bi­li­sie­ren­den Prüf­ling ein Bewe­gungs­aus­maß von bis zu 28° erreicht. Für den kom­bi­nier­ten Test wur­de eine Supi­na­ti­on von bis zu 25° mit gleich­zei­ti­ger Plant­ar­fle­xi­on von 20° im Sin­ne einer Inver­si­on erzielt (Abb. 4 u. 5).

Da der Test­fuß ledig­lich auf­grund von Roll­rei­bung inner­halb der Lager nur einen gerin­gen mecha­ni­schen Wider­stand bie­tet, konn­te ein Zurück­schwin­gen des Fußes nach Ent­las­tung bei Durch­füh­run­gen ohne Prüf­ling beob­ach­tet wer­den (sie­he Mes­sung ohne Orthe­se in Abb. 4). Bei allen Mes­sun­gen mit Prüf­lin­gen unter­schei­det sich die Aus­gangs­po­si­ti­on von der End­po­si­ti­on nach Ent­las­tung des Fußes. Daher wird der Fuß vor Beginn jeder Mes­sung über das Aktor-Sys­tem auto­ma­ti­siert in Neu­tral­stel­lung gebracht.

Die Rota­ti­on um die Ach­se des unte­ren Sprung­ge­lenks für den rei­nen Supi­na­ti­ons­test ist in den Abbil­dun­gen 3 und 4 dar­ge­stellt. Das maxi­ma­le Bewe­gungs­aus­maß zeig­te Mit­tel­wer­te (n = 3) zwi­schen 3,02° und 19,31° mit Orthe­se; im Ver­gleich ergab sich bei der Refe­renz­mes­sung ohne Orthe­se ein Wert von 28,40° (SD = 0,58). Die getes­te­ten Orthe­sen zeig­ten deut­li­che Unter­schie­de im Bewe­gungs­aus­maß. Dies ist vor allem auf die stark unter­schied­li­che Bau­wei­se der Prüf­lin­ge zurückzuführen.

Bei der Kom­bi­na­ti­ons­be­we­gung lie­gen die Wer­te für die Plant­ar­fle­xi­on für alle getes­te­ten Orthe­sen in einem Bereich von ca. 4,69° dicht bei­ein­an­der (von 11,34° bis 16,03°) und alle unter­halb des Ver­gleichs­wer­tes ohne Orthe­se (16,60° mit SD = 0,98). Bei der gleich­zei­tig ein­ge­lei­te­ten Supi­na­ti­ons­be­we­gung hin­ge­gen sind mit bis zu 14,83° deut­li­che Unter­schie­de zu erken­nen. So wur­de mit rund 0,79° (SD = 0,33) das gerings­te Bewe­gungs­aus­maß in Supi­na­ti­on gemes­sen, was auf eine hohe Sta­bi­li­tät des Prüf­lings zurück­zu­füh­ren ist. Das größ­te Supi­na­ti­ons­aus­maß betrug auf­grund der ver­gleichs­wei­se wei­chen Struk­tur der getes­te­ten Orthe­se rund 5,62° (SD = 0,56).

Dis­kus­si­on

Alle Mes­sun­gen in die­ser Stu­die wur­den inner­halb einer Mess­rei­he durch­ge­führt. Es ist dar­auf hin­zu­wei­sen, dass die Ergeb­nis­se von der Maschi­nen­kon­fi­gu­ra­ti­on und wei­te­ren Rand­be­din­gun­gen abhän­gig sind. Neben dem Auf­bau des künst­li­chen Test­fu­ßes kön­nen unter ande­rem auch fol­gen­de Para­me­ter die Test­ergeb­nis­se beeinflussen:

• das Anle­gen der Orthesen,
• die maxi­ma­le Belas­tungs­hö­he sowie
• Geschwin­dig­keit, Umfang und Rich­tung der Bewegung.

Der Belas­tungs­grad ori­en­tiert sich in ers­ter Linie an den unter­schied­li­chen Auf­bau­ar­ten der Prüf­lin­ge und wur­de basie­rend auf einem ers­ten Pilot­test auf 400 N fest­ge­legt, sodass Unter­schie­de sicht­bar gemacht wer­den konn­ten. Um den Ver­schleiß und den Ein­fluss des Test­fu­ßes zu mini­mie­ren, ver­fügt der Fuß über kein eige­nes Feder- oder Dämp­fer-Sys­tem. Daher wird die Kraft nahe­zu voll­stän­dig in die Prüf­lings­kon­struk­ti­on eingeleitet.

Es ist anzu­mer­ken, dass die Ergeb­nis­se des kom­bi­nier­ten Bewe­gungs­tests nicht zur Beur­tei­lung der iso­lier­ten Mobi­li­tät in Plant­ar­fle­xi­on genutzt wer­den kön­nen, da es sich bei der Inver­si­ons­be­we­gung um eine Kom­bi­na­ti­on aus Supi­na­ti­on und gleich­zei­ti­ger Plant­ar­fle­xi­on und Adduk­ti­on han­delt. Für die Unter­su­chung der Fle­xi­bi­li­tät in der Sagit­tal­ebe­ne wäre ein zusätz­li­cher Test mit einer iso­lier­ten Bewe­gung in Plant­ar­fle­xi­on erforderlich.

Zudem hat die Art und Wei­se der Anbrin­gung einen mas­si­ven Ein­fluss auf die Sta­bi­li­täts­funk­ti­on der Orthe­sen. Das Anle­gen der Gur­te wur­de zuvor an einer Test­per­son unter Beach­tung des Pro­dukt­hand­bu­ches von einem Exper­ten vor­ge­nom­men. Mar­kie­run­gen auf dem Prüf­ling dien­ten dabei als Ori­en­tie­rungs­hil­fe für ein wie­der­hol­ba­res An- und Aus­zie­hen für wei­ter­füh­ren­de Tests mit dem­sel­ben Prüf­ling. Für das initia­le Anbrin­gen kann auch eine Mes­sung der Gurt­span­nung durch Kraft­sen­so­ren unter­stüt­zend wir­ken und die Repro­du­zier­bar­keit zwi­schen den Mess­rei­hen wei­ter erhö­hen ¹⁰.

Sowohl in der Lite­ra­tur als auch in die­ser Stu­die wer­den zur Rea­li­sie­rung des Test­fu­ßes bio­lo­gi­sche Gelen­ke durch tech­ni­sche Gelen­ke umge­setzt. Folg­lich han­delt es sich um eine idea­li­sier­te Annä­he­rung an das bio­lo­gi­sche Vor­bild. Aus bio­me­cha­ni­scher Sicht ist ein Gelenk die Ver­bin­dung zwi­schen zwei Kno­chen. Im Unter­schied zu einem tech­ni­schen Gelenk fol­gen bio­lo­gi­sche Gelen­ke nie gerad­li­ni­gen Bah­nen oder rotie­ren um fixe Ach­sen, da ihre Ober­flä­chen kei­nen geo­me­tri­schen Grund­flä­chen glei­chen, etwa einer Kugel, einem Kegel oder einem Zylin­der. Das bio­lo­gi­sche Gelenk stellt viel­mehr ein Sys­tem aus zwei arti­ku­lie­ren­den Flä­chen dar, die durch die drei­di­men­sio­na­le anthro­po­mor­phe Geo­me­trie der Kno­chen, Knor­pel sowie der füh­ren­den Bän­der- und Mus­kel­struk­tu­ren beein­flusst wird. Wäh­rend der Bewe­gung kann die­se Kon­takt­flä­che vari­ie­ren, was mit einer ver­än­der­ten Sta­bi­li­tät im Gelenk ein­her­geht ¹¹.

Eine gro­ße Her­aus­for­de­rung bei der Umset­zung eines Test­fu­ßes stellt die hin­rei­chen­de Abbil­dung des mensch­li­chen Fußes dar, der gleich­zei­tig den indi­vi­du­el­len Eigen­schaf­ten des Men­schen gerecht wird. Unter Berück­sich­ti­gung der Prüf­auf­ga­be und der dar­aus resul­tie­ren­den Erhe­bun­gen kann der Fokus auf essen­zi­el­le Teil­be­rei­che gelegt wer­den; weni­ger rele­van­te Berei­che kön­nen dage­gen in einer grö­be­ren Annä­he­rung abge­bil­det wer­den. So wur­de beim hier vor­ge­stell­ten Ver­fah­ren der Fokus auf die Mecha­nik des obe­ren und unte­ren Sprung­ge­lenks gelegt.

Fazit

Im Rah­men der hier vor­ge­stell­ten For­schungs­stu­die konn­te eine aus­rei­chen­de Emp­find­lich­keit und Wie­der­hol­bar­keit des ent­wi­ckel­ten Prüf­ver­fah­rens zur mecha­ni­schen Eva­lu­ie­rung von Sprung­ge­lenk­or­the­sen auf­ge­zeigt wer­den. Alle in die­ser Stu­die getes­te­ten Orthe­sen wie­sen deut­li­che Unter­schie­de auf, was sich auf ihre unter­schied­li­chen Bau­wei­sen zurück­füh­ren lässt. Mit die­sem Ansatz kön­nen Aus­sa­gen über die Sta­bi­li­täts­funk­ti­on von Sprung­ge­lenk­or­the­sen sowohl zu Qua­li­täts­si­che­rungs­zwe­cken als auch in der frü­hen Pro­to­ty­pen­pha­se unter All­tags­be­las­tun­gen und unter extre­men Ein­satz­be­din­gun­gen ohne Gefähr­dung von Pro­ban­den  getrof­fen werden.

Her­aus­for­de­run­gen bestehen bezüg­lich der Defi­ni­ti­on einer hin­rei­chen­den, aber zugleich auch reprä­sen­ta­ti­ven Abbil­dung der indi­vi­du­el­len Eigen­schaf­ten des Men­schen. Das lang­fris­ti­ge Ziel des vor­ge­stell­ten Pro­jekts ist die Stan­dar­di­sie­rung und die Defi­ni­ti­on nor­ma­ti­ver Fest­le­gun­gen sowie die kli­ni­sche Vali­die­rung des Prüf­ver­fah­rens. Auf die­se Wei­se könn­ten tech­ni­sche Funk­ti­ons­pa­ra­me­ter, die durch ein mecha­ni­sches Test­ver­fah­ren erho­ben wur­den, mit Ergeb­nis­sen aus kli­ni­schen Unter­su­chun­gen ver­gli­chen werden.

Wei­te­re For­schungs­ar­bei­ten sind not­wen­dig, um das Test­ver­fah­ren wei­ter­zu­ent­wi­ckeln. Auf­grund des modu­la­ren Auf­baus des gesam­ten Test­stands kön­nen rea­lis­ti­sche Test­sze­na­ri­en anhand indi­vi­du­el­ler Akti­vi­täts­pro­fi­le erstellt wer­den. Durch Varia­ti­on meh­re­rer Para­me­ter – bei­spiels­wei­se Last­pro­fi­le, Geschwin­dig­kei­ten sowie Bewe­gungs­um­fang und Bewe­gungs­rich­tung – kön­nen ver­schie­de­ne Ein­satz­sze­na­ri­en abge­bil­det werden.

Hin­weis

Die­se For­schungs­stu­die wur­de von der Fir­ma NEA Inter­na­tio­nal B. V., Maas­tricht, Nie­der­lan­de (Her­stel­ler der Orthe­sen „Push Aequi“ und „Push Braces“) finanziert.

Erst­ver­öf­fent­li­chung

Czap­ka P, Daub U, Schnei­der U. Neu­es Ver­fah­ren zur Funk­ti­ons­prü­fung von Sprung­ge­lenks­or­the­sen basie­rend auf einer modi­fi­zier­ten Pro­the­sen­fuß­prüf­ma­schi­ne. Stutt­gart: Fraun­ho­fer IPA, 2019. doi: 10.24406/ipa-n-561797. https://publica.fraunhofer.de/eprints/urn_nbn_de_0011-n-5617974.pdf (Zugriff am 08.10.2021)

Für die Autoren:
Dr. med. Urs Schneider
Lei­ter der Abtei­lung „Bio­me­cha­tro­ni­sche
Sys­te­me“, Fraun­ho­fer-Insti­tut für
Pro­duk­ti­ons­tech­nik
und Auto­ma­ti­sie­rung
(Fraun­ho­fer IPA)
Nobel­str. 12
70569 Stutt­gart
urs.schneider@ipa.fraunhofer.de

Begut­ach­te­ter Beitrag/reviewed paper

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