Funktionelle Programmierung eines Mikroprozessor gesteuerten Prothesenkniegelenks für Geriatriker

Abstract

Transfemoral amputierte geriatrische Patienten werden typischerweise mit Sperrkniegelenken versorgt. Diese schränken den Patienten in seiner Mobilität stark ein und führen zu einem unphysiologischen und optisch auffälligen Gangbild. Durch den Einsatz moderner Technologie, im Speziellen Mikroprozessor gesteuerter, hydraulisch gedämpfter Prothesenkniegelenke soll die Versorgungsqualität dieser Patientengruppe substantiell verbessert werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Steuerkonzept eines solchen Prothesenkniegelenks für den Einsatz in der Versorgung geriatrischer Patienten konzeptioniert, programmiert und getestet.<br />Die Funktion umfasst dabei das sichere Stehen, ebenes Gehen mit Schwungphase, Gehen auf Rampen sowie die Möglichkeit des Niedersetzens mit teilbelasteter Prothese. Insbesondere wurde auf eine hohe Stabilität und Sicherheit gegen das Einknicken, Stolpern und Stürzen sowie eine hohe Toleranz gegenüber sehr kleinen Schrittlängen und Gehgeschwindigkeiten Rücksicht genommen. Im Rahmen von Patiententests sowie eines Feldtests mit Patienten der Mobilitätsklassen 1 - 3 konnte das Konzept sowie die Funktionalität bestätigt werden.<br />Zusätzlich wurde eine experimentelle Studie zum Einfluss einer nach anterior verlagerten Knieachse auf das Gangbild sowie die Bodenfreiheit in der Schwungphase durchgeführt. Das Kontrollkonzept muss daher auch bei einem über die gesamte Standphase beugenden Kniemoment volle Funktionstüchtigkeit besitzen. Es konnte gezeigt werden, dass eine nach anterior verlagerte Knieachse zu einer signifikant höheren Bodenfreiheit führt, wobei gleichzeitig hohe Stabilität gewährleistet werden kann.<br />

Typically, transfemoral geriatric amputees are supplied with locked knee mechanism prostheses. Due to the absence of knee flexion these prostheses severely restrict the mobility of the patient and lead to an unphysiological gait pattern. Employing modern prosthesis technology of microprocessor controlled hydraulic knee prostheses to geriatric amputees can significantly improve their physical quality of life. In this thesis a control concept for a microprocessor controlled knee prosthesis for geriatrics was developed, programmed and evaluated. The prosthesis supports secure standing, level walking with an appropriate swing phase, down- and uphill walking on moderate slopes as well as the possibility to sit down with a partially loaded prosthesis.<br />Special attention was payed to high stability and prevention of buckling, stumbling and subsequent falls. Furthermore a high tolerance on highly variable gait patterns, slow gait velocity and small step lengths could be achieved. Indoor tests with several amputees of mobility classes 1 - 3 and one in-situ test were performed, confirming control concept and functionality.<br />Additionally an experimental survey on the effect of an anterior shifted knee axis on the walking pattern and toe-clearance was carried out.<br />Therefore the control concept has to support prosthesis alignments which cause a flexion moment around the prosthetic knee axis throughout the stance phase. It could finally be demonstrated that an anterior shift of the knee axis leads to an significant increase of toe-clearance. Even under those adverse alignment conditions the stability of the prosthesis could by be fully accomplished by the developed control concept.