Mobilitätsuntersuchungen und Belastungsmessungen an Oberschenkelamputierten

Simone Oehler

• Verlag: De Gruyter
• Jahr: 2015
• ISBN:
  9783110390872
• Auflage: 1
• Thema: Medicine
• Thema: Medical Theory, Practice & Reference

Die aktuelle Norm zur Strukturprüfung von Prothesen der unteren Gliedmaßen beruht auf Messdaten der 70er Jahre. Seit damals hat sich die Prothesentechnik weiterentwickelt und damit die Patientenmobilität erhöht. Um heutige Prothesenkomponenten funktionell und sicher zu gestalten, ist es notwendig, ihren Einsatz im Feld durch den Amputierten zu kennen.

Dazu wurde von der Autorin ein mobiles Messsystem entwickelt, das in Exo-Prothesen integriert werden kann, und mit welchem in einer einjährigen Langzeitstudie an 15 Oberschenkelamputierten Nutzungs- bzw. Belastungsdaten aufgezeichnet wurden. Simone Oehler wertet in ihrer Dissertation diese Messdaten nach unterschiedlichen Fragestellungen aus, um zukünftig Design, Funktion und insbesondere Prüfung realitätsbezogen zu gestalten. Die Ergebnisse ermöglichen es, die mechanischen Beanspruchungen der Prothese nach Art, Dauer und Häufigkeit zu erfassen sowie die Prothesennutzung und Probandenaktivität zu quantifizieren. Die Prüfparameter können so nach der geltenden Norm hinsichtlich Aktualität bzw. notwendiger Änderungen bewertet werden. Die erhaltenen Messdaten tragen längerfristig zu einer Weiterentwicklung von Prüfverfahren bei. Weiterhin kann Einfluss auf die Dimensionierung und nutzungsgerechte Gestaltung von Funktions- und Strukturteilen genommen werden, um diese nach den Prinzipien des beanspruchungsgerechten Konstruierens auszulegen. Auch kann mit Hilfe der Messergebnisse eine genauere Prognose über einen sinnvollen Versorgungszeitraum und die Lebensdauer eines Produktes erfolgen, wodurch insgesamt die Sicherheit des Amputierten verbessert wird.

1 Einleitung

Erste Beinprothesen gab es schon zu Zeiten von Römern und Griechen im 5. Jahrhundert vor Christus – das belegen schriftliche Dokumente und archäologische Funde. Anfangs handelte es sich meist um Unterschenkel- bzw. Fußprothesen, da nur wenige Menschen eine Oberschenkelamputation überlebten. Ab dem Mittelalter gab es erste Prothesenkonstruktionen mit sperrbarem, beweglichem Kniegelenk. Allerdings konnten sich allenfalls Wohlhabende diese Prothesen leisten. Erst nach dem Ersten Weltkrieg wurden mechanische Kniegelenke entwickelt, die den vielen Kriegsversehrten ein annähernd natürliches Gehen ermöglichten. Diese „biomechanischen Gelenke“ entsprachen in verschiedensten Varianten und Entwicklungsstufen mehrere Jahrzehnte lang dem Stand der Technik. Dann wurde 1997 das erste elektronische Kniegelenk entwickelt – das C-Leg®. Weitere Entwicklungen, besonders von mechatronischen Systemen, führen seither zu immer neuen Innovationen auf diesem Gebiet.

Moderne Beinprothesen bieten eine erhöhte Funktionalität und ermöglichen dem Amputierten so mehr Mobilität in einem selbstbestimmten, aktiven Alltag. Komfort und Sicherheit wurden verbessert und es sind auch neue Bewegungsabläufe und Sportarten möglich (Abb. 1.1). Allerdings wird der Mensch immer schwerer (XXL-Gesellschaft, 23. 03. 2014), was sowohl auf eine tendenziell steigende Körpergröße als auch auf eine verstärkte Neigung zum Übergewicht zurückzuführen ist. Beides erhöht die Belastung der Prothese: Sie wird öfter eingesetzt und intensiver beansprucht.

Im Rahmen der Kriegsopferversorgung von Amputierten in Deutschland wurde vor mehr als 60 Jahren festgelegt, dass ein Amputierter alle fünf Jahre Anspruch auf neue Prothesen hat (Quelle: Prof. Dr. U. Boenick). Man ging dabei davon aus, dass jeder Patient unter seinen zwei Prothesen, die damals den Versorgungsstandard bildeten, eine bevorzugte Prothese hat und diese, wenn sie nicht vorher ausfällt, fünf Jahre lang trägt. Der Bundesinnungsverband für Orthopädie-Technik (BIV) empfiehlt diese fünfjährige Versorgungszeit noch heute in seinen Leitlinien. Auch Leistungserbringer und Kostenträger haben sich darauf geeinigt, dies auf weitere prothetische Versorgungen von unfall- oder krankheitsbedingten Amputationen zu übertragen. Mit dieser Festlegung eines typischen Versorgungszeitraumes besteht somit eine Grundlage, um Prothesen beanspruchungsgerecht auszulegen und zu prüfen. Wichtig hierfür ist die genaue Kenntnis der Art und Häufigkeit der Prothesenbeanspruchungen im besagten Versorgungszeitraum.

Abb. 1.1. Mobilität von Oberschenkelamputierten.

Abb. 1.2. Historische Mobilitätsuntersuchungen TU Berlin.

Schon vor mehr als 35 Jahren wurden deshalb an der Prüfstelle für orthopädische Hilfsmittel in Berlin Mobilitätsuntersuchungen bei Oberschenkelamputierten durchgeführt (Abb. 1.2). Die Ergebnisse dieser und ähnlicher Untersuchungen anderer Labore waren die Basis für die Festlegungen in der DIN EN ISO 10328 (kurz: ISO 10328) zur Prüfung der Strukturfestigkeit von Prothesen der unteren Extremität. Die dort festgelegten Prüfparameter sollen die Beanspruchungen bei bestimmungsgemäßem Gebrauch innerhalb des typischen Nutzungszeitraumes abbilden. Bei der Zulassung als Medizinprodukt bestätigt die bestandene Prüfung eine ausreichende Strukturfestigkeit und damit die Wahrung der Sicherheit der Patienten.

Seit den letzten umfassenden Mobilitätsuntersuchungen sind mehr als drei Jahrzehnte vergangen. In dieser Zeit haben sich die Prothesentechnik, die Mobilität der Patienten, die Situation auf dem Gesundheitsmarkt sowie die rechtliche Situation verändert. Bisher wurden prothetische Komponenten für einen Zeitraum von fünf Jahren ausgelegt und pauschal getauscht. Laut SGB IX §31 soll der Rehabilitationsträger nun „[...] vor einer Ersatzbeschaffung prüfen, ob eine Änderung oder Instandsetzung von bisher benutzten Hilfsmitteln wirtschaftlicher und gleich wirksam ist, [...].“

Für die neuen, technisch besseren Prothesenkomponenten stellt sich somit die Frage, inwieweit diese sich über fünf Jahre hinaus verwenden lassen. Um das zu entscheiden, sind Aussagen über deren Restlebensdauer notwendig. Wie genau haben sich also die Beanspruchung und Einsatzhäufigkeit der Prothesenkomponenten durch die verbesserte Funktionalität und höhere Patientenbelastungen verändert? Damit ist also nicht nur die Norm ISO 10328 mit ihren Lasten und Belastungszyklen auf ihre Aktualität zu überprüfen, sondern auch der Versorgungszeitraum von fünf Jahren ist heute bezüglich der Patientenansprüche aufgehoben. Folglich ist es notwendig, mittels geeigneter Messtechnik eine neue Datenbasis zur Bewertung dieser veränderten Randbedingungen zu schaffen.

Ziel dieses Forschungsprojektes, das an der Technischen Universität Berlin in Zusammenarbeit mit der Otto Bock HealthCare GmbH durchgeführt wurde, war deshalb die Entwicklung und Anwendung eines mobilen Messsystems, das drei Kräfte, drei Momente und Segmentwinkel erfasst. Im Rahmen einer einjährigen Studie mit 15 Oberschenkelamputierten wurden in alltäglichen Situationen Belastungs-Zeitfunktionen über einen repräsentativen Zeitraum, hier ein Jahr, aufgezeichnet.

Im Ergebnis ist es möglich, die mechanischen Beanspruchungen der Prothese nach Art, Dauer und Häufigkeit zu erfassen sowie die Prothesennutzung und Probandenaktivität zu quantifizieren. So lassen sich u. a. die Prüfparameter der geltenden Norm hinsichtlich Aktualität bzw. notwendiger Änderungen bewerten. Zudem tragen die Messdaten längerfristig zu einer Weiterentwicklung entsprechender Prüfverfahren bei. Weiterhin können die Ergebnisse die Dimensionierung und nutzungsgerechte Gestaltung von Funktions- und Strukturteilen beeinflussen, sodass diese beanspruchungsgerecht konstruiert werden können. Nicht zuletzt lässt sich mithilfe der Messergebnisse eine genauere Prognose über einen sinnvollen Versorgungszeitraum und die Lebensdauer eines Produktes erstellen, was insgesamt die Sicherheit des Amputierten verbessert. Darüber hinaus kann die Datenbasis für weitere Arbeiten zu Systemen der Versorgungsklassifikation sowie Aufbauoptimierung genutzt werden.

Wichtige Projektziele der Studie Mobilitätsuntersuchungen und Belastungsmessungen an Oberschenkelamputierten sind:

–Herstellung eines aktuellen Zusammenhang zwischen der modernen prothetischen Versorgung, der Patientenaktivität und der resultierenden Prothesenbeanspruchung für klassifizierte Versorgungen (Gelenke) und Patientenkollektive (Mobilitätsgrade),

–Bewertung der aktuellen Relevanz der Prüfbedingungen der ISO 10328 und Weiterentwicklung von relevanten Prüfungen,

–Ableiten von Kriterien für beanspruchungsgerechte Bauteil- bzw. Baugruppenauslegung anhand von realen Belastungsdaten,

–Schlüsse für die Produktlebensdauer und gegebenenfalls mögliche Weiterverwendung der untersuchten Komponenten innerhalb absehbarerer Versorgungszeiträume (> 5 Jahre) zu ziehen sowie

–Schaffen einer Datengrundlage für anschließende Arbeiten zu Versorgungsklassifizierungssystemen und zur Aufbauoptimierung.

2 Stand der Technik – Konventionelle Ganganalyse

2.1 Historie der Ganganalyse

Schon seit frühester Zeit beschäftigen sich Philosophen, Mediziner, Mathematiker und Physiker mit dem Gang des Menschen. Schon Aristoteles (384–322 vor Christus) schrieb darüber. Als einer der Wegbereiter der moderneren Ganganalyse gilt Borelli mit seiner 1685 erschienenen Schrift De motu animalum (Borelli et al. 1685), in der er u. a. den Körperschwerpunkt experimentell untersuchte. Mehr als 150 Jahre nach dessen Arbeit erschien das Werk der Brüder Wilhelm und Eduard Weber Die Mechanik der Gehwerkzeuge (Weber et al. 1836). Sie beobachteten den menschlichen Bewegungsablauf und beschrieben u. a. die Neigung und die vertikalen Schwankungen des Rumpfes, die Schwingungsdauer des Beines, den Einfluss der Doppelstandphasen und andere für die Fortbewegung des Menschen wichtige Größen und Beziehungen. Weitere Forschung auf diesem Gebiet betrieb der Physiologe Karl von Vierordt, der in seinem 1881 erschienenen Buch Über das Gehen des Menschen in gesunden und kranken Zuständen mittels Experimenten die räumlichen und zeitlichen Verhältnisse während des Gehens beschreibt (Vierordt 1881).

Mit der Fotografie stand der Wissenschaft eine neue Methode zur Verfügung, um Bewegung zu untersuchen. Der amerikanische Fotograf Muybridge nutzte als erster die Fotografie, um Bewegungsphasen festzuhalten – damals noch mittels mehrerer nebeneinander stehender Fotoapparate. Die Beschreibung dieser ersten und berühmten Serienaufnahmen wurde 1882 unter dem Titel The horse in motion, as shown by instantaneous photography veröffentlicht (Muybridge et al. 1882).

Der französische Physiologe, Erfinder und Fotopionier Étienne-Jules Maray hat die Fotografie als wissenschaftliche Untersuchungsmethode danach maßgeblich weiterentwickelt. Ihm gelang es, mit einem einzigen Fotoapparat Serienaufnahmen zu machen. Um eine räumliche Bewegung vollständig aufzunehmen, sind aber mindestens zwei Projektionen notwendig, die gleichzeitig aus unterschiedlichen Richtungen gewonnen werden. Erst die zweiseitige Chronofotografie, die der Anatom Christian Wilhelm Braune und der Mathematiker Otto Fischer entwickelten, machte es möglich, dreidimensionale Bewegungen im Raum zu messen. Braune und Fischer benutzten vier Kameras, je zwei für die rechte und zwei für die linke Seite des Patienten. Ihre Untersuchungen stellten sie vor rund hundert Jahren in ihren grundlegenden Arbeiten zur Ganganalyse dar. Viele ihrer damaligen Erkenntnisse besitzen noch heute Gültigkeit (Braune et al. 1895).

Ein weiterer Fortschritt in der apparativen Ganganalyse gelang durch die Konstruktion und den Einsatz von Kraftmessplatten ab etwa 1923, die mittlerweile mit Dehnungsmessstreifen (DMS), druckabhängigen Widerständen oder piezoelektrischen Sensoren arbeiten (Vogt et al. 2004). Die heute angewandten und etablierten Ganganalyseverfahren gehen im Wesentlichen auf Arbeiten von Winter, Perry und Whittle zurück (Winter 1990, Winter 1991, Perry et al. 2003, Whittle 2003).

2.2 Grundlagen des Ganges

Der Gang ist ein kinematisches Phänomen (Horvath 1991). Er wird durch das Unterbewusstsein gesteuert, ist aber eine außerordentlich komplexe Bewegungsaufgabe. Wie wir gehen, ist stark individuell geprägt. Es hängt z. B. vom Geschlecht ab, vom Alter und von persönlichen Lebensbedingungen. Auch die seelische Verfassung eines Menschen beeinflusst seinen Gang. Redewendungen wie „er schleicht wie ein geprügelter Hund“ oder „er geht mit stolzgeschwellter Brust“ drücken dies plastisch aus. Gleiches gilt für den Vergleich des Ganges einer Balletttänzerin mit dem eines Kugelstoßers (Winter 1989, Winter 1990, Hegewald 1999, Kurpgoweit et al. 2007).

Der Begriff „normaler Gang“ ist daher auf dem Gebiet der Ganganalyse stark umstritten, dennoch lässt sich damit ein Bewegungsablauf beschreiben, bei dem zumindest die grundlegenden Prinzipien gleich sind. Deshalb ist es sinnvoll, ein bestimmtes Normgangbild als Bezugssystem zu nutzen.

Unauffälliges Gehen ist ein sehr energieökonomischer Vorgang: maximale Leistung bei minimalem Aufwand und Verschleiß. Dies erklärt sich einerseits daraus, dass der Stütz- und Bewegungsapparat dafür sorgt, dass der Körperschwerpunkt (COG) in vertikaler Richtung relativ wenig ausgelenkt wird. Andererseits besteht während des Gehens ein andauerndes Wechselspiel zwischen potenzieller und kinetischer Energie, die ineinander umgewandelt werden. Nur die Ve...

Inhaltsverzeichnis

• Cover
• Titel
• Impressum
• Inhalt
• Glossar und Abkürzungsverzeichnis
• 1 Einleitung
• 2 Stand der Technik – Konventionelle Ganganalyse
• 3 Gang und Prothetik
• 4 Strukturfestigkeitsprüfung nach ISO 10328
• 5 Stand der Technik – Belastungsmessungen
• 6 Entwicklung des mobilen Messsystems
• 7 Kalibrierung des Messsystems
• 8 Mobiles Messsystem und Labor-Ganganalyse – Ein Vergleich
• 9 Softwareunterstützte Datenauswertung
• 10 Pilotphasenstudie
• 11 Studiendesign für die Studienphase
• 12 Ergebnisse der Studienphase
• 13 Grundlagen der Werkstofftechnik
• 14 Alternativer Prüfvorschlag
• 15 Schlussfolgerungen und Ausblick
• 16 Literatur
• 17 Anhang
• Fußnoten