Ther­mo­re­gu­lie­ren­des Schaft­sys­tem zur Ver­bes­se­rung des Kli­mas im Prothesenschaft

F. Hertzsch, J. Krukenberg, M. Lang, L. Mosler, A. Müller, A. Radspieler, J. Volkmar
Hohe Temperaturen und vermehrte Schweißbildung im Prothesenschaft sind für viele Prothesenträger eine ernstzunehmende Herausforderung. Die durch die Muskelaktivität und Durchblutung des Stumpfes erzeugte Wärmemenge kann durch die isolierende Wirkung des Prothesenschaftes nur schlecht an die Umgebung abgegeben werden. Die Folge daraus ist ein vermehrtes Schwitzen im Prothesenschaft. Dies kann zu einer verminderten Haftung der Prothese sowie zu einer Beeinträchtigung der Hautsituation am Stumpf führen. Ein neu entwickeltes Schaftkonzept mit einem integrierten Wärmetauschersystem soll hier Abhilfe schaffen und die Sicherheit und Lebensqualität der Anwender steigern. Im vorliegenden Artikel werden erste ausgewählte Testergebnisse zur Wirkungsweise des Schaftkonzepts vorgestellt und diskutiert.

Ein­lei­tung

Ent­wick­lungs­stand der Prothetik

Die Ent­wick­lung der Pro­the­tik hat ein hohes Maß an Inno­va­ti­on zu ver­zeich­nen, sei es in der Mate­ri­al­tech­no­lo­gie oder der Inte­gra­ti­on elek­tro­ni­scher Kom­po­nen­ten in das Pro­the­sen­sys­tem. Dem The­ma der Ther­mo­re­gu­la­ti­on im Pro­the­sen­schaft wur­de jedoch bis heu­te kei­ne all­zu gro­ße Bedeu­tung zuge­mes­sen, wobei aber eini­ge wis­sen­schaft­li­che Arbei­ten die Wich­tig­keit die­ses The­mas unterstreichen.

Anzei­ge

Ther­mo­si­tua­ti­on und Thermoregulation

Die durch den Stoff­wech­sel pro­du­zier­te Ener­gie des mensch­li­chen Kör­pers wird zu unge­fähr 75 bis 80 Pro­zent in Wär­me umge­setzt 1 2. Nach Mes­sun­gen von Kora­lew­ski wird die Wär­me­pro­duk­ti­on u. a. beein­flusst durch Geschlecht, Nah­rungs­auf­nah­me, Akti­vi­tät, Mus­kel­be­we­gung und Tages­zeit 3. Der mensch­li­che Kör­per pro­du­ziert auf­grund der Stoff­wech­sel­pro­zes­se durch­schnitt­lich 120 Watt an Wär­me; die­se Wär­me­leis­tung kann bei schwe­rer Arbeit auf 300 Watt anstei­gen 4. Über­schüs­si­ge Kör­per­wär­me kann grund­sätz­lich über Kon­duk­ti­on, Kon­vek­ti­on, Radia­ti­on und Eva­po­ra­ti­on abge­führt wer­den 5. Eine Umge­bungs­tem­pe­ra­tur von 26 °C wird im Mit­tel als ange­nehm emp­fun­den, bei nied­ri­ge­ren Tem­pe­ra­tu­ren muss eine Wär­me­iso­lie­rung durch z. B. Klei­dung vor­ge­nom­men wer­den, bei höhe­ren Tem­pe­ra­tu­ren wird mit ver­mehr­tem Schwit­zen die Tem­pe­ra­tur gesenkt 6. Stu­di­en zei­gen, dass dia­be­ti­sche Pati­en­ten oft­mals Anzei­chen einer beein­träch­tig­ten Ther­mo­re­gu­la­ti­on auf­grund einer gestör­ten sym­pa­thi­schen neu­ro­na­len Kon­trol­le von Blut­druck und Schweiß haben 7 8 9 10. Bei trau­ma­ti­scher Ampu­ta­ti­on kön­nen eben­falls Stö­run­gen vor­lie­gen, abhän­gig von der neura­len Schädigung.

Pro­the­sen­schaft

Der Pro­the­sen­schaft ist der ein­zi­ge Anbin­dungs­punkt einer Pro­the­se an den mensch­li­chen Kör­per. Die­ser Umstand bedingt, dass der Schaft als sol­cher auf der einen Sei­te aus­rei­chend Haf­tung bie­ten muss, um die Pro­the­se sicher steu­ern zu kön­nen, und auf der ande­ren Sei­te einen hohen Tra­ge­kom­fort ermög­li­chen muss, da er ganz­tä­gig getra­gen wird. In heu­ti­gen Pro­the­sen­schäf­ten kommt eine Viel­zahl von Mate­ria­li­en und For­men zum Ein­satz, um die­sen Anfor­de­run­gen gerecht zu werden.

Der Pro­the­sen­schaft wirkt den­noch als ther­mi­sche Bar­rie­re und kann beson­ders bei hei­ßen und feuch­ten Umge­bungs­be­din­gun­gen zu einer signi­fi­kan­ten Min­de­rung der Lebens­qua­li­tät auf­grund der ange­stau­ten Hit­ze bzw. des Schwei­ßes im Schaft füh­ren 11. Die Schweiß­bil­dung ist auf­grund des geschlos­se­nen Schaf­tes erhöht. Durch die dadurch ver­mehr­te Feuch­tig­keit kann es zu einer Rei­he von ent­zünd­li­chen Reak­tio­nen der Haut kom­men 12. Schweiß im Pro­the­sen­schaft wird oft­mals als nega­ti­ver Fak­tor für den Halt der Pro­the­se ange­ge­ben 13. Dies kann im schlech­tes­ten Fall zum Ver­lust der Pro­the­se führen.

Stu­di­en bele­gen, dass die Tem­pe­ra­tur im Schaft schon beim Anzie­hen der Pro­the­se ansteigt, auch ohne zusätz­li­che kör­per­li­che Akti­vi­tät. Bei kör­per­li­cher Belas­tung steigt die Tem­pe­ra­tur wei­ter an 14 15. Huff et al. 16 zei­gen bei einer Mes­sung der Tem­pe­ra­tur im Schaft, dass selbst nach Belas­tungs­en­de kei­ne Abküh­lung im Schaft statt­fin­det (Abb. 1).

Eine effek­ti­ve Mög­lich­keit zur Ver­rin­ge­rung der Kör­per- bzw. Haut­tem­pe­ra­tur wird in einer Stu­die von Bar­wood et al. 17 auf­ge­zeigt. Hier­bei wird mit­tels Ven­ti­la­ti­ons­sys­tem unter der Klei­dung eine Tem­pe­ra­tur­min­de­rung der Haut und des gesam­ten Kör­pers beschrieben.

Im Rah­men eines Pro­jek­tes in Zusam­men­ar­beit zwi­schen der Otto Bock Health­Ca­re GmbH und Andre­as Rad­spie­ler wird ein ther­mo­re­gu­lie­ren­des Schaft­sys­tem ent­wi­ckelt. Ziel die­ser Unter­su­chung ist es, ers­te kli­ni­sche Erfah­run­gen mit die­sem neu ent­wi­ckel­ten ther­mo­re­gu­lie­ren­den Schaft­sys­tem (im Fol­gen­den als „Kli­ma­schaft” bezeich­net) zu erhalten.

Metho­de

Die expe­ri­men­tel­le Unter­su­chung des Kli­ma­schaf­tes (Abb. 2) wird an zwei Tes­t­an­wen­dern, einer weib­li­chen Per­son im Alter von 48 und einer männ­li­chen Per­son im Alter von 31 Jah­ren, durch­ge­führt. Bei­de Tes­t­an­wen­der sind trans­fe­mo­ral und uni­la­te­ral ampu­tiert. Der Zustand des Stump­fes kann als sehr gut bewer­tet wer­den, es sind kei­ne wei­te­ren kör­per­li­chen Beein­träch­ti­gun­gen bzw. Erkran­kun­gen zum Test­zeit­punkt bekannt.

Der Kli­ma­schaft besteht aus einem Car­bon­schaft mit innen­lie­gen­dem, durch­gän­gi­gem Sili­kon-Inlay und einem inte­grier­ten Wär­me­tau­scher­sys­tem, bestehend aus einem elek­tro­ni­schen Lüf­ter und einer defi­nier­ten Men­ge an Pha­se-Chan­ge-Mate­ri­al (PCM). Pha­se-Chan­ge-Mate­ri­al besitzt die Eigen­schaft, den phy­si­ka­li­schen Mate­ri­al­zu­stand, bei­spiels­wei­se von fest nach flüs­sig, inner­halb eines defi­nier­ten Tem­pe­ra­tur­be­reichs zu ändern. Wäh­rend die­ses Pha­sen­wech­sels absor­biert und spei­chert das Mate­ri­al eine gro­ße Men­ge an laten­ter Wär­me. Die Tem­pe­ra­tur des Pha­se-Chan­ge-Mate­ri­als und des­sen Umge­bung bleibt wäh­rend die­ses Pro­zes­ses annä­hernd kon­stant 18. Die­ser Effekt bie­tet den Vor­teil, dass beim Ein­satz der­ar­ti­ger Mate­ria­li­en im Pro­the­sen­schaft die Tem­pe­ra­tur für eine von Mate­ri­al und Men­ge des ver­wen­de­ten Pha­se-Chan­ge-Mate­ri­als abhän­gi­ge Zeit­span­ne kon­stant gehal­ten wer­den kann. Somit wer­den kurz­fris­ti­ge Wär­me­schü­be auf­ge­nom­men, die Tem­pe­ra­tur des Innen­schafts sta­bi­li­siert und bei erhöh­ten Außen­tem­pe­ra­tu­ren ein Spei­cher für Käl­te­leis­tung zur Ver­fü­gung gestellt.

Der Kli­ma­schaft ist zwei­la­gig auf­ge­baut: Die innen­lie­gen­de Schaft­wan­dung über­nimmt die struk­tur­tra­gen­de Funk­ti­on sowie die Auf­nah­me des Pha­se-Chan­ge-Mate­ri­als und der Tem­pe­ra­tur­sen­so­ren, die äuße­re Scha­le dient als äuße­re Hüll­struk­tur des Schaf­tes, wel­che zudem die Auf­nah­me des elek­tro­ni­schen Lüf­ters über­nimmt und wei­ter­hin als Luft­bar­rie­re der durch den Kli­ma­schaft geführ­ten Außen­luft dient. Zur Erfas­sung der Schaft­tem­pe­ra­tu­ren ist der Schaft mit vier gleich­mä­ßig am Umfang und in mitt­le­rer Schaft­hö­he posi­tio­nier­ten Tem­pe­ra­tur­sen­so­ren vom Typ LM35 aus­ge­stat­tet. Die Tem­pe­ra­tur­sen­so­ren sind auf der Außen­sei­te der innen­lie­gen­den Schaft­wan­dung appli­ziert. Um eine Mess­wert­ver­fäl­schung der Tem­pe­ra­tur­mess­wer­te durch den Luft­strom zu ver­mei­den, wer­den sie gegen­über dem Luft­strom iso­liert. Das PCM-Mate­ri­al ist in die­sem Auf­bau strei­fen­för­mig auf der innen­lie­gen­den Schaft­wan­dung des Pro­the­sen­schaf­tes angebracht.

Die Mess­wert­auf­nah­me erfolgt über eine distal am Pro­the­sen­schaft ange­brach­te elek­tro­ni­sche Mess­ein­heit zur Daten­er­fas­sung. Es wer­den vier Tem­pe­ra­tur­wer­te und die Lüf­ter­dreh­zahl, jeweils mit einer Fre­quenz von einem Hertz, aufgezeichnet.

Zur Beur­tei­lung der Effek­ti­vi­tät des Kli­ma­schaf­tes wur­den drei in Tabel­le 1 ange­ge­be­ne Test­durch­läu­fe durch­ge­führt. Die ein­zel­nen Test­pha­sen der Test­durch­läu­fe wur­den direkt nach­ein­an­der durch­lau­fen. Die Umge­bungs­tem­pe­ra­tur lag zum Test­zeit­punkt bei 22 bis 23 °C.

2‑Mi­nu­ten-Geh­test

Beim 2‑Mi­nu­ten-Geh­test hat der Pro­band einen fest­ge­leg­ten Par­cours zu absol­vie­ren. Nach 2 Minu­ten wird gemes­sen, wel­che Distanz er zurück­ge­legt hat. Die Geh­ge­schwin­dig­keit wird vom Pati­en­ten selbst gewählt. Die­ser Test gibt u. a. Auf­schluss über die Leis­tungs­fä­hig­keit des Patienten.

„Timed up and go test”

Bei die­sem Test muss der Pro­band eine defi­nier­te Gangstre­cke und einen Auf­steh- und Nie­der­setz­vor­gang auf einem Stuhl absol­vie­ren. Die hier­für benö­tig­te Zeit wird gestoppt und kann u. a. Auf­schluss über Mobi­li­tät und Sturz­ri­si­ko geben.

Ergeb­nis­se

Abbil­dung 4 gibt die gemit­tel­ten Schaft­tem­pe­ra­tu­ren, wel­che aus den vier Ein­zel­wer­ten der Tem­pe­ra­tur­sen­so­ren berech­net wer­den, für die Test­durch­läu­fe 1 und 2 wie­der. Die Mess­ergeb­nis­se zei­gen, dass dabei die Schaft­tem­pe­ra­tur des Pro­the­sen­schaf­tes bei akti­vier­ter Belüf­tung im Mit­tel um ca. 0,5 °C ansteigt. Die Nicht­be­lüf­tung des Kli­ma­schaf­tes führt zu einem Anstieg der Schaft­tem­pe­ra­tur auf bis zu 29 °C. Ver­glei­chend liegt die Dif­fe­renz der Schaft­tem­pe­ra­tur zwi­schen Be- und Nicht­be­lüf­tung des Kli­ma­schaf­tes bei ca. 4,5 °C. Sub­jek­tiv beschrei­ben bei­de Tes­t­an­wen­der eine Ver­rin­ge­rung der Schweiß­bil­dung mit akti­vier­tem Lüf­ter­sys­tem. Wäh­rend des „two minu­te walk test” zeigt sich durch die ver­rin­ger­te Schweiß­bil­dung ein siche­re­res Tra­ge­ge­fühl des Kli­ma­schaf­tes bei akti­vier­ter Belüf­tung im Ver­gleich zum Kli­ma­schaft ohne Belüftung.

Abbil­dung 5 gibt die gemit­tel­ten Schaft­tem­pe­ra­tu­ren für Test­durch­lauf 3 an. Die Mess­ergeb­nis­se zei­gen, dass sich ohne Belüf­tung die mitt­le­re Schaft­tem­pe­ra­tur bei ca. 30 °C ein­stellt. Durch Akti­vie­ren des Lüf­ter­sys­tems fällt die Tem­pe­ra­tur inner­halb einer Zeit­span­ne von ca. 10 Minu­ten um 3 °C ab. Die Redu­zie­rung der Schaft­tem­pe­ra­tur um 3 °C zeigt die sehr gute Wär­me­leit­fä­hig­keit des Schaft­sys­tems. Sub­jek­tiv beschreibt die Tes­t­an­wen­de­rin bereits weni­ge Minu­ten nach Akti­vie­rung des Lüf­ter­sys­tems eine Redu­zie­rung der Schafttemperatur.

Fazit

Die ers­ten Test­ergeb­nis­se zu Funk­ti­on und Leis­tungs­fä­hig­keit des Kli­ma­schafts sind sehr viel­ver­spre­chend. Durch ver­schie­de­ne Tests konn­te gezeigt wer­den, dass der Kli­ma­schaft effek­tiv einem Über­hit­zen des Stump­fes im Schaft ent­ge­gen­wirkt, indem das Auf­hei­zen des Schaf­tes deut­lich hin­aus­ge­zö­gert wur­de. Über einen aus­ge­dehn­ten Zeit­raum konn­ten die Tem­pe­ra­tu­ren im Schaft selbst bei kör­per­li­cher Belas­tung rela­tiv kon­stant in einem für den Pro­the­sen­trä­ger sub­jek­tiv ange­neh­me­ren Bereich gehal­ten werden.

Die Rück­mel­dun­gen der Pro­ban­din bestä­tig­ten nicht nur die gemes­se­nen Tem­pe­ra­tu­ren, son­dern auch die erwar­te­te Reduk­ti­on der Schweiß­bil­dung sowie damit ein­her­ge­hend eine ver­bes­ser­te Haf­tung im Schaft. Die gute Tem­pe­ra­tur­leit­fä­hig­keit des Schaft­sys­tems gewähr­leis­tet zudem auch bei wech­seln­den Umwelt­be­din­gun­gen eine effek­ti­ve und schnel­le Temperaturregulierung.

Die ers­ten indi­vi­du­el­len Test­ergeb­nis­se müs­sen nun im Rah­men län­ger­fris­ti­ger Feld­tests mit wei­te­ren Pro­ban­den detail­liert wer­den. Im Fokus wer­den dabei der Vor­gang der Schweiß­bil­dung und der Nach­weis von deren Ver­min­de­rung ste­hen. Des Wei­te­ren sol­len Unter­su­chun­gen unter ver­schie­de­nen kli­ma­ti­schen Ver­hält­nis­sen statt­fin­den. Anzu­neh­men ist bei­spiels­wei­se, dass der Kli­ma­schaft auf­grund des inte­grier­ten PCMs sowie der iso­lie­ren­den Luft­schicht zwi­schen inne­rer tra­gen­der Struk­tur und äuße­rer Ver­scha­lung auch bei gerin­ge­ren Tem­pe­ra­tu­ren Vor­tei­le gegen­über her­kömm­li­chen Schaft­bau­wei­sen bietet.

Die Not­wen­dig­keit wei­te­rer Unter­su­chun­gen und die Rele­vanz des The­mas wer­den auch durch die aktu­el­le Recht­spre­chung des Sozi­al­ge­richts Mün­chen bekräf­tigt, das ent­schied, dass ein Kli­ma­schaft von der gesetz­li­chen Kran­ken­kas­se zu über­neh­men ist.

Für die Autoren:
Dipl.-Ing. André Müller
Otto Bock Health­Ca­re GmbH
Max-Näder-Stra­ße 15
D‑37115 Duder­stadt
andre.mueller2@ottobock.de

Begut­ach­te­ter Artikel/reviewed paper

Zita­ti­on
Hertzsch F, Kru­ken­berg J, Lang M, Mos­ler L, Mül­ler A, Rad­spie­ler A, Volk­mar J. Ther­mo­re­gu­lie­ren­des Schaft­sys­tem zur Ver­bes­se­rung des Kli­mas im Pro­the­sen­schaft. Ortho­pä­die Tech­nik, 2015; 66 (2): 30–33
  1. Kora­lew­ski HE. Ener­gie­haus­halt und Tem­pe­ra­tur­re­gu­la­ti­on. Bio­in­for­ma­tik SS, Clus­ter B4: 4, 2006
  2. Specht E. Der Mensch als wär­me­tech­ni­sches Sys­tem. Mess- und Rege­lungs­me­cha­nis­mus der Betriebs­tem­pe­ra­tur, Wär­me­ab­ga­be, Ener­gie­er­hal­tung, Gewichts­än­de­rung, Behag­lich­keit. Otto-von-Gue­ri­cke-Uni­ver­si­tät Mag­de­burg, Insti­tut für Strö­mungs­tech­nik und Ther­mo­dy­na­mik, 2005
  3. Kora­lew­ski HE. Ener­gie­haus­halt und Tem­pe­ra­tur­re­gu­la­ti­on. Bio­in­for­ma­tik SS, Clus­ter B4: 4, 2006
  4. Specht E. Der Mensch als wär­me­tech­ni­sches Sys­tem. Mess- und Rege­lungs­me­cha­nis­mus der Betriebs­tem­pe­ra­tur, Wär­me­ab­ga­be, Ener­gie­er­hal­tung, Gewichts­än­de­rung, Behag­lich­keit. Otto-von-Gue­ri­cke-Uni­ver­si­tät Mag­de­burg, Insti­tut für Strö­mungs­tech­nik und Ther­mo­dy­na­mik, 2005
  5. Kora­lew­ski HE. Ener­gie­haus­halt und Tem­pe­ra­tur­re­gu­la­ti­on. Bio­in­for­ma­tik SS, Clus­ter B4: 4, 2006
  6. Specht E. Der Mensch als wär­me­tech­ni­sches Sys­tem. Mess- und Rege­lungs­me­cha­nis­mus der Betriebs­tem­pe­ra­tur, Wär­me­ab­ga­be, Ener­gie­er­hal­tung, Gewichts­än­de­rung, Behag­lich­keit. Otto-von-Gue­ri­cke-Uni­ver­si­tät Mag­de­burg, Insti­tut für Strö­mungs­tech­nik und Ther­mo­dy­na­mik, 2005
  7. Ben­ar­roch EE, Low PA. The ace­tyl­cho­li­ne-indu­ced fla­re respon­se in eva­lua­ti­on of small fiber dys­func­tion. Ann Neu­rol, 1991; 29: 590–595
  8. Fea­ley RD, Low PA, Tho­mas JE. Ther­mo­re­gu­la­to­ry swea­ting abnor­ma­li­ties in dia­be­tes mel­li­tus. Mayo Clin Proc, 1989; 64: 617–628
  9. Hil­s­tead J, Low PA. Cli­ni­cal auto­no­mic dis­or­ders: Eva­lua­ti­on and manage­ment. Dia­be­tic auto­no­mic neu­ro­pa­thy. Phil­adel­phia: Lip­pin­cott-Raven Publis­hers, 1997
  10. Low PA, Walsh JC, Huang CY, Mcleod JG. The sym­pa­the­tic ner­vous sys­tem in dia­be­tic neu­ro­pa­thy. A cli­ni­cal and patho­lo­gi­cal stu­dy. Brain, 1975; 98: 341–356
  11. Hag­berg K, Brå­ne­mark R. Con­se­quen­ces of non-vascu­lar trans-femo­ral ampu­ta­ti­on: a sur­vey of qua­li­ty of life, prost­he­tic use and pro­blems. Prost­het Orthot Int, 2001; 25 (3): 186–194
  12. Meu­len­belt HEJ, Dijk­s­tra PU, Jon­kman MF, Geert­zen JHB. Skin pro­blems in lower limb ampu­tees: A sys­te­ma­tic review. Disa­bi­li­ty and Reha­bi­li­ta­ti­on, 2006; 28 (10): 603–608
  13. Legro MW, Rei­ber G, del Agui­la M, Ajax MJ, Boo­ne DA, Lar­sen JA, Smith DG, San­ge­or­zan B. Issu­es of impor­t­ance repor­ted by per­sons with lower limb ampu­ta­ti­ons and prosthe­ses. J Reha­bil Res Dev, 1999; 36 (3): 155–163
  14. Huff EA, Ledoux WR, Ber­ge JS, Klu­te GK. Mea­su­ring Resi­du­al Limb Skin Tem­pe­ra­tures at the Skin-Prost­he­sis Inter­face. JPO, 2008; 20 (4): 170–173
  15. Pee­ry JT, Ledoux WR, Klu­te GK. Resi­du­al-limb skin tem­pe­ra­tu­re in trans­ti­bi­al sockets. J Reha­bil Res Dev, 2005; 42 (2): 147–154
  16. Huff EA, Ledoux WR, Ber­ge JS, Klu­te GK. Mea­su­ring Resi­du­al Limb Skin Tem­pe­ra­tures at the Skin-Prost­he­sis Inter­face. JPO, 2008; 20 (4): 170–173
  17. Bar­wood MJ, New­ton PS, Tip­ton MJ. Ven­ti­la­ted vest and tole­ran­ce for inter­mit­tent exer­cise in hot, dry con­di­ti­ons with mili­ta­ry clot­hing. Aviat Space Envi­ron Med, 2009; 80 (4): 353–359
  18. Van Lan­gen­ho­ve L. Smart tex­ti­les for medi­ci­ne and health­ca­re. Mate­ri­als, sys­tems and app­li­ca­ti­ons. Cam­bridge: Woodhead Publi­shing, 2007: 76–77
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