Modellbildung und Simulation zur Verbesserung des prothetischen Ganges von Oberschenkelamputierten

Abstract

Ein modernes, elektronisch gesteuertes und geregeltes Prothesensystem stellt für den Patienten einen wesentlichen Fortschritt in der "Qualität" des Gehens dar. Das System wird passiv, hydraulisch gedämpft, wobei der Dämpfungswiderstand dynamisch über verstellbare Ventile den Anforderungen des Ganges angepasst wird. Soll der Gehkomfort auf der Ebene, Stiege und Rampe weiter verbessert werden, bedarf es neuer Steuer- bzw. Regelungsstrategien. Um Risiken für den Patienten auszuschließen bzw. zu minimieren und die Entwicklungsarbeit vom Versuch teilweise zur Simulation zu verlagern, werden die Untersuchungen mit einem Mehrkörpersystemdynamik Programm durchgeführt.<br />Im Verlauf der vorliegenden Arbeit wird zunächst ein Mensch-Modell entwickelt. Dieses Modell setzt sich aus unterschiedlichen Starrkörpersegmenten zusammen, welche mit Gelenken miteinander verbunden sind. Durch die spezielle Anordnung der Gelenke können die wichtigsten Bewegungsrichtungen, welche zur Beschreibung des zweibeinigen Gehens notwendig sind, wiedergegeben werden. Das Mensch-Modell wird nachfolgend mit dem Prothesensystem komplettiert. Die Anbindung der Prothese an den Oberschenkelstumpf des Mensch-Modells erfolgt gelenkig und wird mit jeweils einem rotatorischen und einem translatorischen Freiheitsgrad beschrieben. Parallel zu diesen wird jeweils ein Feder Dämpferelement geschaltet. Die Prothese ist als einachsiges System ausgeführt. Zur Beschreibung der Dämpfercharakteristik wurden Messungen an einer Versuchsanordnung herangezogen. Im Unterschenkelrohr, welches die Prothese mit dem Prothesenfuß verbindet, wird ein Torsionsadapter implementiert. Der Prothesenfuß wird mit Starrkörpern, welche flexibel miteinander verbunden sind, modelliert. Der Bodenkontakt wird durch mehrere Kontaktelemente, fixiert an beiden Füßen, realisiert. Die Beschreibung der elastischen Komponente der Kontaktelemente erfolgt nichtlinear mit der Eindringtiefe. Die Dämpferkraft wird proportional mit der Eindringgeschwindigkeit sowie nichtlinear mit der Eindringtiefe errechnet.<br />Nach allgemeinen Überlegungen und einer Übersicht über die gebräuchlichsten Markersets in der Ganganalyse wird die Aufbereitung der Ganganalysedaten dargestellt.<br />Die für die Simulation notwendigen Daten aus der Ganganalyse werden geglättet und aneinander gereiht, um durchgängige Untersuchungen sowohl auf der Ebene, Stiege als auch Rampe durchführen zu können. Mit einem Graphical User Interface können die Datensätze ausgewählt und in beliebiger Reihenfolge miteinander verbunden werden. Die Datensätze werden mit einer Polynomapproximation unter Einbeziehung der Fehlerquadratsummen geglättet. Die Gehgeschwindigkeit wird durch Stauchen und Strecken der Zeitachse variiert.<br />Diese Vorgehensweise stellt eine grobe Näherung dar, da sich im Allgemeinen neben der Kadenz auch die Schrittlänge und somit die Relativwinkel an den Gelenken "andern.<br />Die geglätteten und aneinander gereihten Relativwinkel werden im Modell für einige Gelenke fest vorgegeben (invers dynamisch) und für andere als Sollwinkelvorgabe verwendet, wobei durch Aufbringen entsprechender Momente versucht wird, dieser Vorgabe zu folgen (vorwärts dynamisch).<br />Auf der Stiege wird den so vorgegebenen Sollwinkeln in der sagittalen Ebene des Hüftgelenkes zusätzlich ein Sollwinkel aufgeschaltet, um prothesenseitig die Stufenkante bzw. auf der gesunden Seite die Stufe flächig zu treffen.<br />Die für die Ermittlung der Sollventilpositionen maßgeblichen Berechnungen werden mit einem Rule Programm umgesetzt. Das Programm wird abhängig von verschiedenen Messgrößen durchlaufen und der Gangcharakteristik entsprechende Aktionen, d.h. Ventilsollpositionen, gesetzt und so die Dämpfungscharakteristik dynamisch angepasst.<br />

A modern, electronically controlled artificial limb represents a substantial progress in the quality of gait. The prosthesis is operated hydraulically and the dynamic damping resistance is adapted according to the gait cycle with motor driven adjustable valves. To improve the convenience of the gait on level, ramp and down stairs walking new open- and closed-loop strategies are required. To prevent and minimize risks for the patient and to partially shift from experiment to simulation a multi-body system dynamics program is used.<br />In the course of the thesis a human model is presented. The model is based on different rigid body segments which are connected by hinge joints. Special arrangement of the joints provide all directions of movement for the bipedal gait. The human model is then completed with the prosthesis. The interaction between the socket of the prosthesis and the thigh of the human model are specified with a rotational and a translational degree of freedom. The two joints are connected to each other with a spring-damper element. The knee prosthesis is implemented as an uniaxial system. To describe the damping resistance in the artificial knee joint data from a test arrangement are used. In the lower leg tube which is connected between the knee prosthesis and the foot a torsional adapter is implemented. The model of the prosthetic foot is also based on rigid bodies which are connected elastically. The ground contact is realised by using multiple contact elements. They are fixed on both feet. The force is a nonlinear function of the penetration depth. The damping force is proportional to the penetration velocity and depends nonlinear on the penetration depth.<br />After general considerations and an overview of the most commonly used marker sets in human gait analysis preprocessing of gait data is presented. The necessary gait parameters must be smoothed and combined for the simulation. This is important for the simulation analysis on level, ramp and down stairs walking. To select the gait analysis data set and to connect these data sets in any sequence a graphical user interface is used. A polynomial approximation including a least squares method is used to smooth the gait parameters. The gait velocity is changed by compressing and stretching the time axis. This approach is only a rough approximation, because the gait velocity depends not only on the cadence but in general also on the step length and therefore on the relative angles of the lower extremities joints.<br />If the smoothed and rearranged relative angels are prescribed for the joint, this method is called inverse-dynamics approach. If the relative angles at the joints are generated by a moment, the method is called forward-dynamics approach. To allow stable down stairs walking the sagittal goal trajectory of the right and left hip, provided by the gait analysis, is modified using an additional target angle. In this context the middle of the left foot (prosthesis side) should hit the stair edge and the right foot (sound side) should be set flat on the stair.<br />To calculate the target valve positions a rule program is used.<br />Different measurement categories depending on the gait cycle are used to calculate adequate valve positions and adapt the damping characteristics dynamically.