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TU Berlin

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Untersuchung der Mobilität von prothetisch versorgten Oberschenkelamputierten mit Erfassung der mechanischen Prothesenbeanspruchung

Partner/Auftraggeber:

Otto Bock HealthCare GmbH
Max-Näder-Str. 15
37115 Duderstadt

Zeitraum: 01.08.2004 – 31.03.2010

Bearbeiter: Dipl.-Ing. Simone Oehler

Volumen: 535.314 €

Lupe

In Deutschland tragen ca. 300.000 Menschen eine Prothese der unteren Gliedmaßen, bisher ist aber nur wenig über die Art und Häufigkeit ihrer Nutzung während des täglichen Lebens bekannt. Ziel dieser Studie ist es, mit einem System die langfristige Nutzung der Prothese sowie die Beanspruchung der Struktur und des Materials zu erfassen.
Die Komponenten einer Prothese werden nach einheitlichen internationalen Normen getestet (z.B. ISO 10328), um so zu gewährleisten und zu bestätigen, dass sie den bei der Nutzung auftretenden Beanspruchungen widerstehen können. Die in diesen Normen definierten Prüfparameter sollten den beabsichtigten Gebrauch im Alltag während der üblichen Lebensdauer einer Prothese abbilden. Allerdings wurden die den heute geltenden Belastungsparametern zugrunde liegenden Mobilitätsmessungen schon vor 30 Jahren durchgeführt. Heute verfügbare Systeme (z.B. Mikroprozessorgesteuerte Kniegelenke) bieten eine deutlich höhere Funktionalität, so dass sie nicht mit den damals untersuchten Prothesenkomponenten verglichen werden können. Aufgrund der verbesserten Technik steigt auch die Patientenmobilität und die Ansprüche an die Haltbarkeit der Prothese. Folglich ist es notwendig, eine neue Datenbasis zu schaffen, welche neue Technologien und aktive Patienten berücksichtigt.

 

Lupe

Um die realen Beanspruchungen von Beinprothesen unter Alltagsbedingungen untersuchen zu können, wurden ein mobiles Messsystem und Softwarekomponenten entwickelt, die in der Lage sind, in der Prothese wirkende Kräfte, Momente sowie Kniewinkel über einen repräsentativen Zeitraum zu erfassen, zu speichern und zu analysieren. Mit diesen Messwerten ist es möglich, eine Korrelation zwischen modernem prothetischem Design, Patientenaktivität und den daraus resultierenden Beanspruchungen in der Prothese herzustellen.
Eine stark einschränkende Anforderung an die Geometrie des Systems war, die Größe, die eine Bauhöhe von 22 mm nicht überschreiten sollte. Weiterhin sollte es mit den in der Prothetik gängigen Standardadaptern montierbar sein, damit der Einsatz in verschiedenen Prothesen erfolgen kann. Je nach Situation ist eine Platzierung zwischen Schaft und Kniegelenk sowie eine knöchelnahe Platzierung möglich.
Die Geometrie der Struktur des Messpylons (Bild 1) wurde mittels FEM optimiert und die Ergebnisse experimentell validiert. Gleiches gilt für die Optimierung der Position der Dehnungsmessstreifen (DMS), um so ein gutes Signal/Rauschverhältnis für die Erfassung der drei Kräfte und Momente zu erzielen. Weiterhin waren hinsichtlich der statischen und dynamischen Festigkeit der Konstruktion die Kriterien der ISO 10328 zu erfüllen. Ergänzende Komponenten des Messsystems sind zwei Kniewinkelsensoren, ein Datenspeichergerät und die Energieversorgung. Die Datenaufzeichnung erfolgt mit einer Abtastrate von 256 Hz bei 12-bit Auflösung. Alle Komponenten sind auf eine weitgehend störungsresistente Aufzeichnungsdauer von 18 h ausgelegt. Die gewonnenen Messdaten können von der Messebene in jeden Punkt im Raum transformiert werden (z.B. Hüftgelenk). Ihre Richtigkeit wurde in einem Vergleich zu den Messwerten eines etablierten Ganganalysesystems bestätigt und erlaubt den Einsatz des Systems als mobile Ganganalyse (Kinetik, Kniewinkel) (Bild 2). Im Vergleich zu Ganganalysedaten, die nur unter Laborbedingungen aufgenommen werden können, ist ein erheblicher Erkenntnisgewinn zu erwarten.

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Um das Langzeitverhalten der elektronischen Komponenten im realen Einsatz zu prüfen, wurde das System an drei Probanden über mehrere Monate getestet. Die entwickelte Datenanalysesoftware ermöglicht es, die Beanspruchung der Prothesenkomponenten mittels Histogrammen statistisch auszuwerten. Weiterhin können die Daten hinsichtlich bestimmter Gangmuster bzw. deren Dauer und Verteilung über den Tag analysiert werden. In der Tabelle (Tab. 1) sind Messergebnisse von zwei unterschiedlichen Probanden über den Zeitraum von einer Woche zusammengefasst. Deren Aktivität (Gehen,Treppensteigen und Radfahren) in Bezug zur wöchentlich gemessenen Zeit beträgt bei Proband 1 12,4 % und bei Proband 2 15,2 %.

Die bereits durchgeführten Messungen erlauben bisher Aussagen, die auf einen kurzen Zeitraum bezogen sind. Mit den Ergebnissen der jetzt startenden einjährigen Studie an 15 Oberschenkelamputierten werden Aussagen über die Lebensdauer einer Prothese, die Kräfte und Momente beim Fersenauftritt und Zehenabstoß sowie über die Anzahl der Lastzyklen möglich sein. Mit Hilfe dieser Messergebnissen können Normprüfparameter aktualisiert werden und Verbesserungspotentiale für sicherere Prothesen mit höherer Funktionalität abgeleitet werden.

Hintergründe erfahren Sie hier.

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