Titel Ein neuartiges Prothesenfußkonzept im Vergleich zu einem etablierten energierückgebenden Fuß beim Gehen in der Ebene und auf Rampen

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Hansi Kruse
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1 Referent/in Heitzmann, Daniel (Heidelberg DE) Dipl. Ing. (FH) Orthopädische Universitätsklinik Heidelberg - Bewegungsanalytik Titel Ein neuartiges Prothesenfußkonzept im Vergleich zu einem etablierten energierückgebenden Fuß beim Gehen in der Ebene und auf Rampen Coauthors Heitzmann DWW, Alimusaj M, Block J, Wolf SI Zusammenfassung Zwei Prothesenfüße wurden beim Gehen in der Ebene und beim Herauf- und Heruntergehen von Rampen mittels einer 3D Ganganalyse verglichen. Die Ergebnisse zeigen für das neuartige Prothesenfußkonzept eine höhere Leistungsrückgabe mit einer Reduktion der Bodenreaktionskraft der erhaltenen Seite. Einführung Energierückgebende Prothesenfüße weisen eine deutlich höhere Leistungsrückgabe auf [1]. Morgenroth et al. haben gezeigt, dass eine höhere Leistungsrückgabe zu einer verminderten Belastung der erhaltenen Seite führt [2]. Hierfür müssen ein adäquates Drehmoment und eine hohe Winkelgeschwindigkeit gegeben sein, da die Leistung das Produkt aus beidem ist. Die Anforderung an einen angemessenen Vorfußhebels führt dagegen zu steiferen Prothesenfüßen was einer hohen Winkelgeschwindigkeit entgegensteht. Es besteht also ein Kompromiss zwischen der Hebelwirkung und einer hohen Winkelgeschwindigkeit [3]. Darüber hinaus adaptieren rigidere Füße schlechter an Neigungen. Dies ist aber insbesondere beim Bergaufgehen notwendig [4]. Dezidierte Steifigkeiten entsprechend der Gangphasen wären eine mögliche Lösung. In dieser Studie wird ein neuartiger Prothesenfuß (NF) nach diesem Konstruktionsprinzip mit einem konventionellen Fuß (KF) beim Gehen in der Ebene und auf Rampen verglichen (Abb. 1). Methodik 11 Probanden mit einer trans-tibialen Amputation (TTA; 10m; 1w; 39±13y; 81±16kg; 180±9cm) wurden mit einem konventionellen Prothesenfuß (KF; Variflex ; Össur) versorgt und hatten zwei Wochen zur Gewöhnung. Am Tag der Untersuchung wurden Sie mit einem Page 1 of 5

2 neuartigen Fuß (NF; Proflex ; Össur) versorgt und hatten die Möglichkeit für ca. 1,5km in unterschiedlichen Gelände (Treppen, unebener Untergrund, Rampen) zu Gehen. Im Anschluss durchliefen Sie eine instrumentelle 3D Ganganalyse für das Gehen in der Ebene, das Herauf- und Heruntergehen auf einer Rampe (7,5 ) bei selbst gewählter Gehgeschwindigkeit. Zuerst wurden Messungen zum NF und im Anschluss zum KF durchgeführt. Marker wurden entsprechend des Plugin Gait Models (Vicon) angebracht und die Kinematik und Kinetik dementsprechend berechnet. Marker Trajektorien wurden mit einem 12 Kamera System (Vicon) bei 120hz aufgenommen. Daten von 17 unversehrten Probanden (NORM; 28.4±5.6 y; 72.6±13.8kg; 178.4±7.9cm) dienten als Referenz. Ergebnisse Es wurden folgende Parameter der Dorsi. Plantarflexion während der Standphase der betroffene Seite für NF und KF ermittelt: das Bewegungsausmaß (ROM) [ ] (Abb. 2A), die Maxima des Drehmoments [Nm/kg] (Abb. 2B), der Winkelgeschwindigkeit [ /s] (Abb. 2C), der Leistung [W/kg] (Abb. 2D) und der vertikalen Bodenreaktionskraft [N/kg]. Die letztgenannten Werte zur Bodenreaktionskraft wurden für die der erhaltenen Seite (Abb. 2E) ermittelt. Aufgrund der geringen Stichprobenzahl (N=11) wurden signifikante Unterschiede zwischen beiden Prothesenfüßen (NF u. KF) mit einem nicht parametrischen Test für gepaarte Stichproben ermittelt (Wilcoxon Signed-Rank Test; p<0.05). In allen Parametern (Bewegungsausmaß, Drehmoment, Winkelgeschwindigkeit und Leistung,) der betroffenen Seite zeigt sich eine signifikante Erhöhung für den NF im Vergleich zum KF. Auf der erhaltenen Seite zeigt sich bei Nutzung des NF eine signifikante Reduktion der maximalen vertikalen Bodenreaktionskraft. Diese Effekte zeigen sich in allen Konditionen, beim Gehen in der Ebene und beim Herauf- und Heruntergehen der Rampe. Schlußfolgerung Die Gelenkleistung ist das Produkt aus Winkelgeschwindigkeit und Gelenkmoment. Trotz dieser akademischen Definition besteht ein direkter Bezug zur Versorgungspraxis. Aber weswegen ist eine hohe Gelenkleistung bei Prothesenfüßen erforderlich? Ein rigider Fuß verfügt zwar über ein adäquates Drehmoment, jedoch ist eine Winkeländerung mit einer angemessenen Winkelgeschwindigkeit nicht möglich. Die Vorwärtsbewegung ist gebremst, das Gangbild wirkt Page 2 of 5

3 steif. Insbesondere beim Gehen auf Rampen sind rigide Konstruktionen nachteilig, da z.b. die Dorsalflexion die beim Heraufgehen benötigt wird [4] limitiert ist. Beim Heruntergehen von Rampen verlängert sich bei rigiden Konstruktionen der Zeitraum bis zum Vollkontakt des Fußes. Ein später Vollkontakt vermindert die Standstabilität des Anwenders [5]. In dieser Studie konnte gezeigt werden, dass der Kompromiss zwischen Hebelwirkung und einer hohen Winkelgeschwindigkeit [3] beim KF noch nicht vollends ausgereizt ist. Der NF weist durchweg verbesserte Charakteristika auf. Der Zuwachs an Gelenkleistung des NF im Vergleich zum KF ist auf das vergrößerte ROM und die damit verbundenen Erhöhung der Winkelgeschwindigkeit zurückzuführen. Das erhöhte ROM des NF ermöglicht eine verbesserte Adaption an Schrägen (Abb. 2A). Die erhöhte Leistungsrückgabe des NF führt zu einer Reduktion der vertikalen Bodenreaktionskraft der erhaltenen Seite. Dies entspricht den Ergebnissen von Morgenroth et al. [2] und konnte für alle Gehbedingen nachgewiesen werden. Literaturreferenzen 1. Czerniecki, J.M., A. Gitter, and C. Munro, Joint moment and muscle power output characteristics of below knee amputees during running: the influence of energy storing prosthetic feet. J Biomech, (1): p Morgenroth, D.C., et al., The effect of prosthetic foot push-off on mechanical loading associated with knee osteoarthritis in lower extremity amputees. Gait Posture, (4): p Fey, N.P., G.K. Klute, and R.R. Neptune, The influence of energy storage and return foot stiffness on walking mechanics and muscle activity in below-knee amputees. Clin Biomech (Bristol, Avon), (10): p Hansen, A.H., D.S. Childress, and S.C. Miff, Roll-over characteristics of human walking on inclined surfaces. Hum Mov Sci, (6): p Postema, K., et al., Energy storage and release of prosthetic feet. Part 1: Biomechanical analysis related to user benefits. Prosthet Orthot Int, (1): p Page 3 of 5

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