Technologie und Funktionsweise eines neuen

Sonderdruck aus: ORTHOPÄDIE TECHNIK 9/15, Verlag Orthopädie-Technik, Dortmund
Ph. Kampas, D. Seifert
Technologie und Funktionsweise
eines neuen
Prothesenkniegelenksystems
Technology and Functioning of a new Prosthetic Knee Joint System
646D1080=DE
Prothetik
Ph. Kampas, D. Seifert
technologie und Funktionsweise eines neuen Prothesenkniegelenksystems
technology and Functioning of a new Prosthetic Knee Joint System
Mit dem Kenevo wird ein Prothesensystem vorgestellt, das mit neuartiger technologie speziﬁsch auf die
Anforderungen zielt, die sich aus der
Analyse von Aktivitäten des täglichen
Lebens von Anwendern niedrigerer
Mobilitätsgrade ergeben. Durch
verschiedene Modi lässt es sich an
den rehabilitationsfortschritt des
Anwenders anpassen. Dieser Artikel
beschreibt die technischen Hintergründe sowie die angestrebten Vorteile der Aktivitätsmodi und der in
die Modi eingebetteten Funktionen,
die speziﬁsch für Menschen mit niedriger Mobilität und eingeschränkter
Motorik entwickelt wurden.
Schlüsselwörter: mikroprozessorgesteuertes Knieprothesensystem,
therapiebegleitendes Hilfsmittel, niedrige Mobilitätsgrade, Mobilitätsgrad 1,
Mobilitätsgrad 2
Kenevo is a prosthetic system that,
with novel technology, speciﬁcally
targets those requirements that
result from the analysis of activities
of daily life of users with lower
mobility grades. With the help of
various modes, it can be adapted to
the user’s progress in rehabilitation.
this article describes the technical
backgrounds, the pursued advantages of activity modes as well as the
functions embedded in the modes,
which were speciﬁcally developed
for people with low mobility and
limited motor skills.
Key words: Microprocessor-controlled
knee joint system, medical device assisting in therapy, low mobility grades,
mobility grade 1, mobility grade 2
2
46
einleitung
Mit Einführung der Mechatronik in
die Prothetik der unteren Extremität
hat Ottobock den Stand der Technik
für die Versorgung von Anwendern der
Mobilitätsgrade 3 und 4 definiert. Der
Fokus beim C-Leg-Kniegelenksystem
liegt auf dem sicheren Gehen in verschiedenen Geschwindigkeiten sowie
auf Rampen und Treppen. Zwei Zusatzmodi ermöglichen die Unterstützung
zusätzlicher Aktivitäten des täglichen
Lebens [1]. Beim Genium und Genium X3 ist das Ziel, das Gangbild physiologischer zu gestalten und damit
eine deutliche Verringerung der Ungleichheit zwischen natürlicher Körperfunktion und künstlichem Ersatz
zu erreichen. Verschiedene Aktivitäten des täglichen Lebens werden durch
Funktionen unterstützt, die nicht wie
Zusatzmodi bewusst aktiviert werden
müssen, sondern möglichst intuitiv in
der Situation unterstützen, ohne Aufmerksamkeit vom Anwender zu benötigen [2].
Studien haben ergeben, dass auch
Anwender des Mobilitätsgrades 2 von
mechatronischen Kniegelenken wie
dem C-Leg Compact profitieren [3, 4].
Aus diesem Anlass wurden die spezifischen Bedürfnisse von Anwendern
niedrigerer Mobilitätsgrade genauer analysiert, um auf die Aktivitäten
des täglichen Lebens dieser Anwender
durch neuartige Funktionen einzugehen. Die Hypothese lautet, dass gerade Anwender niedriger Mobilität und
eingeschränkter Motorik von moderner Technologie besonders profitieren
können und damit für diese Anwender
größere Erfolge im Rehabilitationsergebnis erzielt werden können. Das Ergebnis ist das Kenevo, ein mikroprozessorgesteuertes Kniegelenksystem,
welches auf die Bedürfnisse von Amputierten der Mobilitätsgrade 1 und 2
eingeht (Abb. 1).
Anwendergruppen
Die Analyse der Bedürfnisse der Anwender der Mobilitätsgrade 1 und 2
ergab drei Anwendergruppen:
– Für die Anwendergruppe A ist die
größte Herausforderung das Aufstehen und Hinsetzen. Einmal aufgestanden gehen diese Anwender
nur wenige Schritte. Oft benutzen
sie auch weitere Hilfsmittel wie beispielsweise Gehhilfen oder einen
Rollstuhl. Nichtsdestotrotz ist das
Vertikalisieren ein wichtiger Bestandteil der Rehabilitation und
der Selbstständigkeit dieser Anwender. Sie benötigen eher ein gesperrtes Knie, um jederzeit Kontrolle und
Sicherheit über die Prothese zu haben, und legen weniger Wert auf
eine höhere Mobilität, die durch
eine Schwungphasenauslösung ermöglicht wird.
Abb. 1 Kenevo mit Axon-Rohradapter und
induktiver Ladeeinheit.
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wender gewählt werden. Das Kniegelenksystem eignet sich damit zur Anpassung des Prothesensystems an den
Therapiefortschritt oder den Krankheitsverlauf eines Anwenders.
technologie
Abb. 2 Technologie und Sensoren.
Abb. 3 Erkennen des Hinsetzens.
– Für die Anwendergruppe B stellt das
Aufstehen und Hinsetzen durchaus
auch noch eine Hürde dar, sie sind
aber bereits beschränkt im Außenbereich unterwegs. Diese Anwender
nutzen zumindest zeitweise noch
Hilfsmittel wie Gehhilfen und bevorzugen die Sicherheit eines während der Standphase gesperrten
Knies. Sie gehen nicht alternierend
Treppen oder Rampen hinunter.
Eine Auslösung der Schwungphase
ermöglicht ihnen eine erhöhte Sicherheit (Bodenfreiheit), verringerte Kompensationsbewegungen und
verbesserte Mobilität.
– Die Anwendergruppe C ist fähig,
alternierend Treppen und Rampen bergab zu gehen, ist aber nur
mit niedriger oder mittlerer Gehgeschwindigkeit unterwegs.
Es ist wichtig festzustellen, dass die fixe
Zuordnung der Anwender zu einer Anwendergruppe gerade für Anwender
mit niedrigem Mobilitätsgrad oft nicht
möglich ist, da sich die Mobilität dieser
Anwender durch den Rehabilitationsoder Krankheitsfortschritt oft kurzfristig verändert. Wenn z. B. eine wichtige
Hürde gemeistert und Vertrauen in die
Prothese gewonnen wird, sind Sprünge zwischen den Anwendergruppen
möglich.
Aktivitätsmodi
Für die unterschiedlichen Anwendergruppen wurden spezifische Aktivitätsmodi programmiert:
– Der Aktivitätsmodus A „Locked
Mode“ für die Anwendergruppe A
erkennt das Aufstehen und Hinsetzen automatisch und unterstützt
den Anwender in dieser Situation
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ORTHOPÄDIEaus:
TECHNIK
ORTHOPÄDIE-TECHNIK
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durch spezifische Widerstandsverläufe. Beim Gehen bleibt das Kniegelenksystem gesperrt.
– Der Aktivitätsmodus B/B+ „Semi
Locked Mode“ für die Anwendergruppe B erkennt und unterstützt
das Aufstehen und Hinsetzen wie
der Aktivitätsmodus A. Das Kenevo bleibt während der Standphase gesperrt; es ist jedoch möglich,
die Schwungphase auszulösen. Das
Kniegelenksystem überwacht die
gesamte Schwungphase und schaltet im Falle eines Stolperns auf einen erhöhten Widerstand. Im Aktivitätsmodus B+ „Semi Locked
Mode mit Standphasenbeugung“
ist eine begrenzte Standphasenbeugung möglich.
– Im Aktivitätsmodus C für die Anwendergruppe C ist das Kenevo während der Standphase nicht gesperrt,
sondern bleibt auf hohem Widerstand. Damit ist das alternierende
Herabgehen von Treppen und Rampen möglich. Es kann zudem die
Schwungphase ausgelöst werden.
Das Kniegelenksystem überwacht
dabei die gesamte Schwungphase
und schaltet im Falle eines Stolperns
auf einen erhöhten Widerstand. Das
Aufstehen und Niedersetzen wird
weiterhin durch spezifische Widerstandsverläufe unterstützt. Bleibt
der Anwender stehen, unterstützt
ihn die intuitive Stehfunktion.
Eine eigene Funktion erlaubt es in allen
Aktivitätsmodi, beim Sitzen im Rollstuhl das Knie in einer fast gestreckten
Position zu sperren, sodass die Prothese beim Fahren ohne Auflage nicht unter den Rollstuhl gezogen wird.
Die Aktivitätsmodi können nach
den temporären Bedürfnissen der An-
Das Kenevo-Beinprothesensystem ist
ein mikroprozessorgesteuertes, einachsiges Kniegelenksystem. Es verwendet eine Hydraulik mit dem bereits vom C-Leg bekannten 2-WegePrinzip, bei der die Widerstände in
Flexions- und Extensionsrichtung
unabhängig voneinander durch den
Mikroprozessor 100-mal pro Sekunde
stufenlos gestellt werden können [5].
Die Sensoren umfassen eine Axialkraftmessung, eine Knöchelmomentmessung, einen Kniewinkel- und
Kniewinkelgeschwindigkeitssensor
sowie eine neuartige 6-achsige Raumlageeinheit (Inertial Motion Unit,
IMU), welche die Lage und Rotationsgeschwindigkeit des Kniegelenksystems im Raum bestimmt (Abb. 2).
Die Funktionen im Detail
Das unterstützte Hinsetzen
Das Bedürfnis
Anwender mit hohem Sicherheitsbedürfnis werden oft mit einem Sperroder Bremsknie versorgt, weil diese
Gelenke das gewünschte Sicherheitsgefühl beim Gehen und Stehen bieten.
Beim Hinsetzen sind diese Gelenke
aber oft verunsichernd. Die Gehhilfe
muss losgelassen werden, um die Sperre zu entriegeln, und wenn das Gelenk
einmal freigeschaltet ist, gibt es keine
Unterstützung beim Hinsetzen. Der
sicherheitsbedürftige und zumeist
motorisch eingeschränkte Anwender
muss alles mit der kontralateralen Seite kompensieren und kommt in eine
unsichere und motorisch anspruchsvolle Situation.
Die Lösung
Das gesperrte Kenevo erkennt über
eine patentierte Steuerung, die auf
der Raumlageeinheit beruht, die Bewegung der Hüfte nach hinten und
löst kontinuierlich die Sperre, wenn
die Prothese belastet ist (Abb. 3). Sollte das Hinsetzen abgebrochen werden, wird die Sperre wieder aktiviert.
Während des Hinsetzens regelt das
Gelenksystem den Widerstand so,
dass über den gesamten Beugewinkel
jeweils der benötigte Widerstand eingestellt wird – anfangs etwas niedri47
3
Abb. 4 Widerstandsverlauf während
des Hinsetzens.
Abb. 5 Unterstützung des Aufstehens.
ger, in der Mitte der Beugung etwas
höher und gegen Schluss wieder etwas niedriger (Abb. 4).
Der Vorteil
Der Anwender hat beim Hinsetzen somit seine Hände frei und kann sich
z. B. an einer Gehhilfe oder an der
Armstütze des Stuhls festhalten. Während des Hinsetzens kann er beide Beine belasten; die Prothese unterstützt
ihn beim Hinsetzen mit einem kontrollierten Widerstand. Der Körperschwerpunkt kann in der Mitte zwischen den Beinen bleiben; der Anwender hat eine breitere Unterstützungsfläche und muss nicht auf einem Bein
balancieren. Er gewinnt an Stabilität
und Sicherheit.
Abb. 6 Schwungphasenauslösung bei ﬁxer Schwelle.
Sperre aufzustehen, erkennt das Gelenksystem über die Raumlageeinheit
die Rückwärtsbewegung der Hüfte
und schaltet in die Funktion zum unterstützten Hinsetzen um (3 in Abb. 5).
Der Vorteil
Sollte der Anwender das Aufstehen abbrechen und sich doch wieder hinsetzen wollen, wird er vom Kenevo beim
Hinsetzen unterstützt. Wenn ihm das
Aufstehen fast gelingt, wird ihn das
Gelenk mit einer Sperre unterstützen.
Die Sperre wird wieder gelöst, falls der
Anwender zurückzufallen droht. Er
wird situationsbedingt in seiner Bewegung unterstützt und kann daher auf
seine Prothese vertrauen.
Das unterstützte Aufstehen
Die Schwungphasenauslösung
im Aktivitätsmodus B/B+
Das Bedürfnis
Das Bedürfnis
Sperr- oder Bremsknie bieten dem Anwender keine Unterstützung, sollte der
Aufstehvorgang abgebrochen werden.
Der Anwender muss das Hinsetzen mit
der kontralateralen Seite oder den Händen abfangen. Gerade bei einem abgebrochenen Aufstehvorgang ist aber
damit zu rechnen, dass der Anwender nicht in der Lage ist, das zu tun. Er
fällt somit meistens ungebremst in den
Stuhl zurück, fühlt sich verunsichert
und kann sich dabei sogar verletzen.
Die Lösung
Während Kenevo für das Aufstehen den Extensionswiderstand niedrig schaltet, ist die Widerstandscharakteristik für das Hinsetzen in Flexionsrichtung aktiv (1 in Abb. 5).
Ab 45° gestreckter Position sperrt
das Gelenk in Beugerichtung (2 in
Abb. 5), um ein Zurücksinken zu verhindern. Sollte der Anwender es nicht
schaffen, durch die Unterstützung der
4
48
Anwender mit niedrigen Mobilitätsgraden haben oft ein stark asymmetrisches Gangmuster mit großer Variabilität. Sie benutzen oft Gehhilfen,
die die Belastung der Prothese beeinflussen. Herkömmliche Technologien zur Schwungphasenauslösung
– seien sie mechanisch oder mechatronisch – kommen damit schlecht
zurecht, weil die Algorithmen auf
klar ausgeprägten Sensorsignalverläufen beruhen und fi xe Schwellwerte verwenden. Die Folge ist, dass der
Zeitpunkt der Schwungphasenauslösung oft nicht erkannt wird und die
Prothese zu haken beginnt (Abb. 6).
Dreht man die Schwellwerte so weit
hinunter, dass die Schwungphase öfter ausgelöst wird, besteht wiederum die Gefahr, dass das Kniegelenk
auch unter Bedingungen nachgibt,
unter denen dies nicht gewünscht
ist. Letztendlich werden die Anwender oft mit einem Sperrknie versorgt,
welches ihnen die Stabilität gibt, die
sie benötigen, sie aber in ihrer Mobilität behindert.
Die Lösung
Kenevo bestimmt die Schwelle zum
Auslösen der Schwungphase für jeden
Schritt neu. Erst wenn die Belastung
der Prothese in der terminalen Standphase nach dem Maximum abnimmt
(Abb. 7) und wenn die Raumlageeinheit eine Vorwärtsneigung und eine
Vorwärtsrotation erkannt hat, wird
die Schwungphase freigeschaltet. Das
passiert entsprechend dem Bedürfnis
der Anwender später als bei aktiveren
Anwendern (Abb. 9). Dabei reduziert
das Kniegelenk den Widerstand nicht
schlagartig, sondern verringert ihn
kontinuierlich mit sinkender Belastung. Sollte der Anwender wider Erwarten den Schritt abbrechen und die
Prothese doch wieder belasten, wird
der Widerstand sofort angehoben, um
den Anwender zu unterstützen. Während der gesamten Schwungphase
wird die Prothese durch den Stolperschutz Plus (siehe unten) überwacht.
Der Vorteil
Der Anwender profitiert dadurch von
der Sicherheit, dass die Schwungphase weitgehend unabhängig von seinem Gangmuster und der Verwendung von Gehhilfen korrekt ausgelöst wird. Sein Sicherheitsbedürfnis
wird gleichzeitig mit seinem Bedürfnis nach Mobilität erfüllt. Er kann auf
die Prothese vertrauen und damit seine Mobilität verbessern.
Die Schwungphasenauslösung
im Aktivitätsmodus C
Das Bedürfnis
Obwohl auch Anwender mit hohem
Mobilitätsgrad 2 durchaus noch unreSonderdruck aus: ORTHOPÄDIE-TECHNIK
09/15, Seite
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ORTHOPÄDIE TECHNIK
09/15
Abb. 7 Echtzeitanpassung der Auslöseschwelle bei
Kenevo.
gelmäßige Schritte machen und teilweise Gehhilfen benutzen, wäre die
Schwungphasenauslösung wie zuvor
beschrieben für ihr dynamischeres
Gehverhalten zu spät und zu langsam.
Die Prothese könnte bei manchen
Schritten haken oder sich „zu langsam“ anfühlen.
Die Lösung
Kenevo verwendet im Aktivitätsmodus C einen dem Genium verwandten Algorithmus, um die Schwung-
Abb. 8 Auslösung der Schwungphase im Aktivitätsmodus C.
phase auszulösen. Wenn die Bodenreaktionskraft während der Standphase über die Fußmitte nach vorne
gewandert ist und gleichzeitig die
Raumlageeinheit eine Vorwärtsneigung und eine Vorwärtsrotation erkannt hat, wird die Schwungphase
freigeschaltet (Abb. 8) [2]. Der niedrige
Schwungphasenwiderstand
wird gegenüber dem Aktivitätsmodus B/B+ also früher und schneller
erreicht (Abb. 9). Auch im Aktivitätsmodus C wird die Prothese während
Abb. 9 Timing und Verhalten der Schwungphasenauslösungen (schematisch).
der gesamten Schwungphase durch
den Stolperschutz Plus (siehe unten)
überwacht.
Der Vorteil
Da die Lage und nicht die Größe der
Bodenreaktionskraft für die Auslösung der Schwungphase ausschlaggebend ist, werden Schwankungen wie
z. B. durch ein Abstützen an Gehhilfen kompensiert. Das Timing der Auslösung unterstützt die Bedürfnisse
der Anwender, die sich in ihrer Reha-
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ORTHOPÄDIE-TECHNIK
09/15, Seite 49
ORTHOPÄDIEaus:
TECHNIK
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5
Anwendergruppe/Aktivitätsmodus
A
B
C
Unterstütztes Aufstehen und Hinsetzen
ja
ja
ja
gesperrt
gesperrt
hoch
Standphasenbeugung
–
begrenzt
(Mode B+)
unbegrenzt
Schwungphase
–
ja
ja
Stolperschutz Plus
–
ja
ja
Intuitive Stehfunktion
–
–
ja
Rollstuhlfunktion
ja
ja
ja
Standphasenwiderstand
Tab. 1 Anwendergruppen, Aktivitätsmodi und Funktionen im Überblick.
bilitation schon an der Grenze zu Mobilitätsgrad 3 befinden. Kenevo unterstützt die zunehmende Mobilität.
Stolperschutz Plus
Das Bedürfnis
Anwender mit niedrigen Mobilitätsgraden haben beschränkte motorische Fähigkeiten und Kraft, um ein
Stolpern zu kontrollieren. Ein unregelmäßiges Gangmuster macht aber die
Wahrscheinlichkeit eines Stolperns
z. B. durch ein Hängenbleiben mit der
Zehe in der Schwungphase höher.
Die Lösung
Alle mechatronischen OttobockKniegelenke bieten anhand der
2-Wege-Hydraulik
und
„default
stance“ inhärente Sicherheit während der Schwungphasenextension,
während der ein Hängenbleiben mit
der Zehe meistens passiert. Während
der Extension ist das Flexionsventil
schon präventiv auf Standphasenwiderstand eingestellt und wird damit
bei einer Bewegungsumkehr durch
ein Stolpern sofort wirksam. Der Stolperschutz Plus erweitert dieses Konzept um zwei Aspekte: Einerseits wird
der Flexionswiderstand während der
Schwungphasenextension über den
Wert der Standphase hinaus erhöht.
So wird in dieser Situation, in der das
Gelenk plötzlich mit hohen Kräften
in gebeugter Stellung belastet wird,
zusätzliche Unterstützung gegeben.
Andererseits wird die Bewegung
des Gelenks auch in der Schwungphasenflexion überwacht. Sobald
Kenevo eine von einer normalen
Schwungphase abweichende Bewegung erkennt, wird der Flexionswiderstand ebenso auf einen Wert über
dem Standphasenwiderstand erhöht.
6
50
Der Vorteil
Der erhöhte Widerstand unterstützt
den Anwender in einer kritischen Situation. Dadurch wird es für ihn leichter, ein Stolpern zu kontrollieren und
damit das Sturzrisiko zu reduzieren.
Anwendergruppen,
Aktivitätsmodi und
Funktionen im Überblick
Durch die unterschiedlichen Aktivitätsmodi eignet sich das neue Kniegelenk besonders gut, um Anwender als
therapieunterstützendes Hilfsmittel
im Rehabilitationsprozess zu begleiten. Die Funktionalität kann an die
wachsende Fähigkeit des Anwenders
oder auch an therapeutische Rückschritte angepasst werden. Das zertifizierte Fachpersonal kann mittels einer PC-Einstellsoftware (K-Soft) und
der im Kenevo integrierten BluetoothSchnittstelle die Einstellungen anpassen und den Aktivitätsmodus wählen.
Die Einstellsoftware unterstützt die
Einstellung mit patientenindividuellen Vorschlägen und beim Aufbau
der Prothese. Die Aufbauempfehlung
entspricht der Ottobock-Standardempfehlung für monozentrische, mechatronische Kniegelenksysteme wie
das C-Leg.
Design für den Alltag
Neben den Funktionen zur spezifischen Unterstützung der Aktivitäten
des Alltags spielt auch das Gewicht einer Prothese für diese Anwendergruppen eine überproportional wichtige
Rolle. So wurde auf besonders kompaktes und leichtes Design geachtet.
Kenevo ist mit einer minimalen dis-
Mit freundlicher Empfehlung
talen Systemhöhe von 270 mm und
einem Gewicht von 915 g deutlich
kleiner und leichter als andere mikroprozessorgesteuerte Kniegelenke. Es
ist für Anwender bis 125 kg Körpergewicht freigegeben.
Die induktive Ladeeinheit ist auch
für motorisch eingeschränkte Anwender leicht anzulegen. Der als Zubehör
erhältliche Protektor bietet Schutz für
das Gelenk, natürliches Volumen und
ein den Vorlieben der Anwendergruppe entsprechendes Design.
Fazit
Das neue System wurde entwickelt,
um den spezifischen Bedürfnissen
von Anwendern mit niedriger Mobilität gerecht zu werden. Die Funktionen
gehen aus einer ganzheitlichen Betrachtung der Aktivitäten des Alltags
typischer Anwendergruppen hervor
und erlauben es, den Rehabilitationsprozess zu begleiten. Zur Bestätigung
der Hypothese wurden klinische Studien begonnen, welche die guten Ergebnisse des Feldtests bestätigen sollen. Der Hersteller ist überzeugt, Menschen mit dem Kenevo Mobilität zu
ermöglichen, die Gefahr laufen, diese vollständig zu verlieren, und damit
Technologie denen zugänglich zu machen, die sie am meisten brauchen.
Für die Autoren:
Dipl.-Ing. Philipp Kampas, MBA
Otto Bock Healthcare GmbH
Brehmstraße 16 • 1110 Wien
[email protected]
Begutachteter Beitrag/reviewed paper
LITERATUR:
[1] Kampas P, Bellmann M, Weigl-Pollack A.
Das neue C-Leg und seine erweiterten Funktionen. Orthopädie Technik, 2011; 62 (10):
722-727
[2] Kampas P, Seyr M. Technologie und Funktionsweise des Genium-Prothesenkniegelenks.
Orthopädie Technik, 2011; 62 (12): 898-903
[3] Kannenberg A, Zacharias B, Pröbsting E.
Benefits of microprocessor prosthetic knees to
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review. J Rehabil Res Dev, 2014; 51 (10):
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[4] Hafner BJ, Smith DG. Differences in function and safety between Medicare Functional
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control. J Rehabil Res Dev, 2009; 46 (3): 417-434
[5] Thiele J, Westebbe B, Bellmann M, Kraft M.
Designs and performance of microprocessorcontrolled knee joints. Biomed Tech, 2014;
59 (1): 65-77
ORTHOPÄDIE TECHNIK 07/14

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