Unter­su­chung des Ein­flus­ses des Fuß­pas­s­teils auf die dyna­mi­sche Stumpf-Schaft-Inter­ak­ti­on anhand von Relativbewegungsmessungen

V. Ungermann, M. Brehm, St. Rinderknecht
In diesem Artikel wird die Detektierbarkeit des Einflusses zweier verschiedener Prothesenfußpassteile auf die dynamische Stumpf-Schaft-Interaktion anhand von Relativbewegungsmessungen diskutiert. Dazu werden Messdaten unterschiedlicher Gangszenarien eines Mannes mit Unterschenkelamputation unter Variation der Prothesenfußkomponente erhoben und im Hinblick auf Unterschiede analysiert. Gangszenarienübergreifend unterscheidet sich insbesondere das Maß der auftretenden Relativbewegung an den posterioren Messstellen in der Standphase. Jedoch lässt sich lediglich für das Gangszenario „Rampe hinauflaufen“ eine deutliche Veränderung im qualitativen Relativbewegungsverlauf identifizieren: Ein höherer Bewegungsumfang im Knöchelgelenk der Prothesenfußkomponente resultiert in weniger Relativbewegung zwischen Beinstumpf und Prothesenschaft.

Ein­lei­tung und Motivation

Als direk­te bio­me­cha­ni­sche Schnitt­stel­le zwi­schen Mensch und tech­ni­schem Sys­tem bestimmt der Pro­the­sen­schaft sowohl die Kon­trol­le und Sta­bi­li­tät der gesam­ten Bein­pro­the­se als auch deren Kom­fort und hat somit unmit­tel­ba­ren Ein­fluss auf den Erfolg einer Reha­bi­li­ta­ti­on. Die Her­stel­lung indi­vi­du­el­ler Schaft­sys­te­me ist nach wie vor hand­werk­lich geprägt; die Qua­li­tät der Pass­form ist wesent­lich von der Exper­ti­se und den Erfah­run­gen des Ortho­pä­die­tech­ni­kers, der sub­jek­ti­ven Pati­en­ten­ruck­mel­dung über die Pass­form sowie der Geduld bei­der Akteu­re abhän­gig. Zur Qua­li­täts­si­che­rung wären quan­ti­ta­ti­ve Kenn­grö­ßen hilf­reich. Eine poten­zi­ell rele­van­te Kenn­grö­ße ist die Rela­tiv­be­we­gung zwi­schen Bein­stumpf und Pro­the­sen­schaft in dyna­mi­schen Gangszenarien.

In der Lite­ra­tur las­sen sich unter­schied­li­che Ansät­ze zur Erfas­sung der Rela­tiv­be­we­gung zwi­schen Bein­stumpf und Pro­the­sen­schaft ermit­teln; am häu­figs­ten wer­den fol­gen­de Ver­fah­ren zur Mes­sung und Rekon­struk­ti­on der auf­tre­ten­den Rela­tiv­be­we­gung verwendet:

  • Moti­on Cap­tu­re 1 2 3 4,
  • ande­re opti­sche Mit­tel 5 6,
  • induk­ti­ve Sen­so­ren 7 8 9 10 sowie
  • Vaku­um­druck­schwan­kun­gen akti­ver Unter­druck­sys­te­me 11 12.

Die­se Ansät­ze sind jedoch mit ver­schie­de­nen Nach­tei­len behaf­tet: So kön­nen bei­spiels­wei­se Vaku­um­druck­schwan­kun­gen nicht zur Bewer­tung der Rela­tiv­be­we­gung an bestimm­ten Stel­len inner­halb der Schnitt­stel­le ver­wen­det wer­den; dar­über hin­aus gibt es trotz der Viel­zahl unter­schied­li­cher Mess­an­sät­ze nur weni­ge Stu­di­en, die gang­zy­klus­ab­hän­gi­ge Daten der Rela­tiv­be­we­gung wäh­rend des Gehens erhe­ben 13 14 15 16.

Als Alter­na­ti­ve wur­de ein Mess­kon­zept ent­wi­ckelt, das auf einem zwei­di­men­sio­na­len opti­schen Bewe­gungs­sen­sor basiert. Im Gegen­satz zu den oben beschrie­be­nen Ansät­zen, die den der­zei­ti­gen Stand der Tech­nik mar­kie­ren, ermög­licht das neue Sys­tem sowohl die loka­le Auf­lö­sung der Rela­tiv­be­we­gung als auch deren Erfas­sung im zwei­di­men­sio­na­len Raum 17. Anhand expe­ri­men­tel­ler Unter­su­chun­gen am Prüf­stand konn­te der rela­ti­ve Mess­feh­ler mit 0,5 ± 1,78 % quan­ti­fi­ziert wer­den 18. Des Wei­te­ren wur­de die bio­me­cha­ni­sche Plau­si­bi­li­tät der Mess­da­ten im Rah­men einer Pilot­stu­die auf­ge­zeigt 19. Mit Hil­fe die­ses Mess­sys­tems wur­den im Rah­men einer Dok­tor­ar­beit ver­schie­de­ne Fra­ge­stel­lun­gen daten­ba­siert unter­sucht und dis­ku­tiert 20.

In die­sem Arti­kel wird die Detek­tier­bar­keit des Ein­flus­ses zwei­er ver­schie­de­ner Pro­the­sen­fuß­pas­s­tei­le auf die dyna­mi­sche Stumpf-Schaft-Inter­ak­ti­on bei unter­schied­li­chen dyna­mi­schen Gang­sze­na­ri­en anhand von Rela­tiv­be­we­gungs­mes­sun­gen erörtert.

Metho­de

Die Stu­die wird mit einem akti­ven Mann (Mobi­li­täts­grad 4, 69 Jah­re, 1,88 m, 90 kg) mit Unter­schen­kel­am­pu­ta­ti­on auf der rech­ten Sei­te (Stumpf­län­ge 11 cm, ampu­tiert seit 5 Jah­ren) durch­ge­führt. Für die Mes­sun­gen trägt der Pro­band einen spe­zi­ell ange­fer­tig­ten Mess­schaft (Sani­täts­haus Klein, Die­burg, Deutsch­land) auf Basis eines hydro­sta­ti­schen Gips­ab­drucks („Sym­pho­nie Aqua Sys­tem VC“, Rome­dis GmbH, Neu­beu­ern, Deutsch­land) mit Pin-Lock-Mecha­nis­mus und einen Sili­kon-Liner des Typs „RelaxTM Locking“ der Grö­ße 30 (Össur hf, Reykja­vik, Island). Der Mess­auf­bau ist in Abbil­dung 1 dar­ge­stellt. Die Rela­tiv­be­we­gung wird dem­nach an sie­ben Stel­len gemes­sen, die auf der ante­rio­ren (2 Stel­len), der late­ra­len (3) und der pos­te­rio­ren (2) Sei­te des Schaf­tes ver­teilt sind. Zusätz­lich wer­den die Belas­tun­gen am dista­len Ende des Schaf­tes mit­tels Kraft­mess­do­se 21 erfasst und der aktu­el­le Schaft­kom­fort per Socket Fit Com­fort Score (SFCS; nume­ri­sche Rating­ska­la von 0 = „maxi­mal unbe­quem“ bis 10 = „maxi­mal bequem“) 22 abgefragt.

Der durch­ge­führ­te Mess­ab­lauf umfasst dyna­mi­sche Gang­sze­na­ri­en aus dem All­tag, die sich in Bezug auf ihre bio­me­cha­ni­schen Belas­tun­gen unter­schei­den. Wie in Abbil­dung 2 dar­ge­stellt, wer­den in fol­gen­der Rei­hen­fol­ge sie­ben unter­schied­li­che Gang­sze­na­ri­en mess­tech­nisch erfasst:

  • Gera­de­aus­ge­hen in der Ebene,
  • Gehen im Kreis (1 m Radi­us) mit Pro­the­sen­bein innen bzw. außen,
  • Trep­pen­stei­gen (hin­ab und hin­auf) sowie
  • Ram­pen­lauf (hin­ab und hinauf).

Für wei­te­re Details sei an die­ser Stel­le auf Kapi­tel 5.3 in Publi­ka­ti­on 23 ver­wie­sen. Die­ser Mess­ab­lauf wird mit zwei unter­schied­li­chen Fuß­pas­s­tei­len (bei­de Össur hf, Reykja­vik, Island) absol­viert (sie­he Abb. 4 unten rechts):

  • „Pro-Flex XC“ und
  • „Pro-Flex Pivot“.

Laut Her­stel­ler ist das Modell „Pro-Flex XC“ beson­ders für hohe Belas­tungs­gra­de akti­ver Pro­the­sen­trä­ge­rin­nen und ‑trä­ger 24 aus­ge­legt, wäh­rend sich der Pro­the­sen­fuß „Pro-Flex Pivot“ durch einen gro­ßen Bewe­gungs­um­fang und eine erhöh­te Ener­gie­rück­ga­be aus­zeich­net 25.

Die Kraft­kom­po­nen­te in pro­xi­mo­di­sta­ler (pd) Rich­tung wird zur Iden­ti­fi­zie­rung ein­zel­ner Gang­zy­klen (GC) ver­wen­det. Je nach Gang­sze­na­rio ist eine Daten­ba­sis von 16 GC für die sta­tis­ti­sche Ana­ly­se anwend­bar. Eine sen­sor­in­hä­ren­te Bewer­tung der Mess­qua­li­tät (SQUAL-Wert) wird ver­wen­det, um Mess­da­ten unzu­rei­chen­der Qua­li­tät aus­zu­schlie­ßen; ent­spre­chen­de Daten der SQUAL-Wer­te unter 30 (weni­ger als ein Drit­tel des Nor­mal­wer­tes) wer­den ausgeschlossen.

Zur Iden­ti­fi­ka­ti­on von Unter­schie­den in den Rela­tiv­be­we­gungs­da­ten durch das Tra­gen der bei­den ver­schie­de­nen Pro­the­sen­fuß­kom­po­nen­ten wird eine mathe­ma­ti­sche Ver­gleichs­grö­ße  Pvgl,ij ein­ge­führt. Mit deren Hil­fe lässt sich die Ähn­lich­keit zwei­er Sen­sor­si­gna­le i und j bewer­ten. Die­se ist defi­niert als der Quo­ti­ent zwi­schen der Distanz der Mit­tel­wer­te bei­der Signa­le X und der Sum­me der Stan­dard­ab­wei­chun­gen s zu jedem Zeit­punkt des Gang­zy­klus. Die ent­spre­chen­de For­mel lautet:

Unter der Annah­me, dass die Stan­dard­ab­wei­chun­gen der bei­den ver­gli­che­nen Daten­sät­ze gleich groß und nor­mal­ver­teilt sind, las­sen sich für Pvgl,ij ver­schie­de­ne Zustän­de defi­nie­ren (Abb. 3).

Ergeb­nis­se und Diskussion

Abbil­dung 4 stellt die Ver­gleichs­grö­ße Pvgl,ij der erfass­ten Rela­tiv­be­we­gungs­da­ten mit Varia­ti­on der Pro­the­sen­fuß­kom­po­nen­te dar. Pro Ein­zel­gra­fik wer­den in Abhän­gig­keit vom Gang­sze­na­rio jeweils die bei­den Bewe­gungs­rich­tun­gen der Sen­sor­da­ten an den sie­ben Mess­stel­len mit­ein­an­der ver­gli­chen. Das Farb­sche­ma spie­gelt dabei die Unter­scheid­bar­keit der erfass­ten Mess­da­ten wider, also inwie­fern sich das Tra­gen des ande­ren Pro­the­sen­fu­ßes auch in der erfass­ten Rela­tiv­be­we­gung zeigt. Wie in Abbil­dung 3 beschrie­ben, las­sen sich in den grü­nen Berei­chen „Pvgl,ij  ≤1) die ver­gli­che­nen Mess­da­ten der Rela­tiv­be­we­gung nicht zwei­fels­frei von­ein­an­der unter­schei­den. Mit stei­gen­der Grö­ße von Pvgl,ij las­sen sich jedoch Unter­schie­de in den ver­gli­che­nen Rela­tiv­be­we­gungs­da­ten iden­ti­fi­zie­ren, die auf das Tra­gen der bei­den unter­schied­li­chen Pro­the­sen­fuß­kom­po­nen­ten zurück­zu­füh­ren sind (Abb. 4, rechts unten).

Mit Aus­nah­me des Gang­sze­na­ri­os „Trep­pe hin­un­ter­lau­fen“ (TR) sind mit Varia­ti­on der Pro­the­sen­fuß­kom­po­nen­te im Spe­zi­el­len an den pos­te­rio­ren Mess­stel­len Unter­schie­de in den Rela­tiv­be­we­gungs­da­ten erkenn­bar (vgl. Pvgl,ij ≥ 1), wobei sich die­se im Beson­de­ren auf die Stand­pha­se kon­zen­trie­ren. Mit Aus­nah­me des Gang­sze­na­ri­os „Ram­pe Hin­auf­lau­fen“ (RH) zei­gen die Rela­tiv­be­we­gungs­da­ten jedoch qua­li­ta­tiv den glei­chen gang­zy­klus­ab­hän­gi­gen Ver­lauf (nicht dar­ge­stellt; vgl. 26, Abb. A.5–A.7). Aller­dings wird – unab­hän­gig vom Gang­sze­na­rio – in der Stand­pha­se bei Ver­wen­dung der Pro­the­sen­fuß­kom­po­nen­te „Pro-Flex Pivot“ (Punkt-Strich-Linie) mehr Rela­tiv­be­we­gung erfasst als bei Nut­zung des Modells „Pro-Flex XC“ (durch­ge­zo­ge­ne Linie).

Beim Hin­auf­lau­fen der Ram­pe ist an der Mess­stel­le „post­prox“ zusätz­lich eine Ände­rung im Rela­tiv­be­we­gungs­mus­ter vor­han­den (Abb. 5, blaue Ver­läu­fe in pd-Rich­tung): Wäh­rend sich der Bein­stumpf bei Ver­wen­dung des Pas­s­teils „Pro-Flex XC“ im Ver­lauf der Stand­pha­se über die Neu­tral­stel­lung (ca. 40 % GC) hin­weg von distal nach pro­xi­mal bewegt, ist die Posi­ti­on des Bein­stumpfs inner­halb des Pro­the­sen­schafts bei Nut­zung des Modells „Pro-Flex Pivot“ nach Last­über­nah­me nahe­zu kon­stant (Abb. 5). Ten­den­zi­ell wer­den gang­sze­na­ri­en­über­grei­fend beim Pas­s­teil „Pro-Flex Pivot“ in der Stand­pha­se höhe­re Rela­tiv­be­we­gun­gen erfasst als beim Modell „Pro-Flex XC“. Inwie­fern die unter­schied­li­chen Eigen­schaf­ten der Pro­the­sen­fuß­kom­po­nen­ten – bei­spiels­wei­se Bewe­gungs­um­fang oder Ver­ti­kal­dämp­fung – für das ver­än­der­te Rela­tiv­be­we­gungs­ver­hal­ten ver­ant­wort­lich sind, ist ohne wei­te­re Unter­su­chun­gen nicht abschätzbar.

Im Gegen­satz dazu lässt sich die Ände­rung des qua­li­ta­ti­ven Ver­laufs der Rela­tiv­be­we­gung in pd-Rich­tung im Gang­sze­na­rio „Ram­pe hin­auf­lau­fen“ mit dem grö­ße­ren Bewe­gungs­um­fang des Pas­s­teils „Pro-Flex Pivot“ begrün­den: Die Adap­ti­on der mensch­li­chen Loko­mo­ti­on an posi­ti­ve Stei­gun­gen wird maß­geb­lich dem Knö­chel zuge­schrie­ben, wäh­rend das Hin­un­ter­lau­fen über eine Knie­ad­ap­ti­on rea­li­siert wird 27. Die­ser Nut­zen des Modells „Pro-Flex Pivot“ gegen­über dem Pas­s­teil „Pro-Flex XC“ wird für das Gang­sze­na­rio RH auch vom Ver­suchs­teil­neh­mer deut­lich wahr­ge­nom­men, wie anhand der SFCS-Wer­te zu erken­nen ist: SFCS = 7 („Pro-Flex Pivot“) gegen­über SFCS = 5 („Pro-Flex XC“).

Fazit und Praxisempfehlungen

Ledig­lich für das Gang­sze­na­rio „Ram­pe hin­auf­lau­fen“ konn­ten in den Rela­tiv­be­we­gungs­da­ten Ver­än­de­run­gen im qua­li­ta­ti­ven Ver­lauf iden­ti­fi­ziert wer­den. Die­se stüt­zen die The­se von Han­sen und Kol­le­gen 28, wonach beim mensch­li­chen Gang die Anpas­sung an posi­ti­ve Ram­pen­stei­gun­gen über eine Adap­ti­on des Knö­chels erfolgt. Das Modell „Pro-Flex Pivot“ mit sei­nem höhe­ren Bewe­gungs­um­fang kann die­se Adap­ti­on bes­ser leis­ten als das Pas­s­teil „Pro-Flex XC“, was sich zusätz­lich in der sub­jek­ti­ven Bewer­tung des Schaft­kom­forts äußert (SFCS = 7 vs. SFCS = 5).

Auch in den wei­te­ren Gang­sze­na­ri­en las­sen sich Unter­schie­de in den Rela­tiv­be­we­gungs­da­ten iden­ti­fi­zie­ren, wobei es sich jedoch nicht um Ver­än­de­run­gen im qua­li­ta­ti­ven Ver­lauf han­delt. Ten­den­zi­ell wer­den bei Ver­wen­dung des Modells „Pro-Flex Pivot“ in der Stand­pha­se höhe­re Rela­tiv­be­we­gun­gen erfasst als bei Ver­wen­dung des Modells „Pro-Flex XC“.

Trotz feh­len­der Erklä­run­gen für die iden­ti­fi­zier­ten Unter­schie­de konn­te anhand der Rela­tiv­be­we­gungs­da­ten der Mehr­wert eines grö­ße­ren Bewe­gungs­um­fangs im Knö­chel­ge­lenk für das Gang­sze­na­rio „Ram­pe hin­auf­lau­fen“ auf­ge­zeigt wer­den. Prin­zi­pi­ell scheint die Mes­sung der Rela­tiv­be­we­gung dem­nach durch­aus dazu geeig­net zu sein, Hypo­the­sen in Bezug auf die Eigen­schaf­ten spe­zi­el­ler Pro­the­sen­kom­po­nen­ten zu überprüfen.

Für die Autoren:
Prof. Dr.-Ing. Ste­phan Rinderknecht
Lei­tung
Insti­tu­te for Mecha­tro­nic Systems
Tech­ni­sche Uni­ver­si­tät Darmstadt
Otto-Berndt-Stra­ße 2
64287 Darm­stadt
rinderknecht@ims.tu-darmstadt.de

Begut­ach­te­ter Beitrag/reviewed paper

Zita­ti­on
Unger­mann V, Brehm M, Rin­der­knecht St. Unter­su­chung des Ein­flus­ses des Fuß­pas­s­teils auf die dyna­mi­sche Stumpf-Schaft-Inter­ak­ti­on anhand von Rela­tiv­be­we­gungs­mes­sun­gen. Ortho­pä­die Tech­nik, 2021; 72 (8): 32–35
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