Technische Einflussfaktoren auf die Performance von mikroprozessorgesteuerten Kniegelenken

Abstract

Bei einer Oberschenkelamputation verliert der Patient das Knie, welches für so gut wie jede Art der Fortbewegung benötigt wird. Es bietet Stabilität in der Standphase und Mobilität in der Schwungphase. Eine Knieprothese soll diese wichtige und komplexe Funktion ersetzen und so die Mobilität des Anwenders so weit wie möglich wiederherstellen. Mikroprozessorgesteuerte Knieprothesen (MPKs) haben einen eingebauten Mikroprozessor, der anhand von Sensordaten ermittelt in welcher Gangphase sich der Anwender gerade befindet und dementsprechend die Beweglichkeit des künstlichen Kniegelenks regelt. Diese Steuerung ist wohl der ausschlaggebendste Faktor für die Performance eines MPK. Sie arbeitet aber immer mit den konkreten technischen Gegebenheiten der Prothese, wie deren Masse, die Genauigkeit der Sensoren, etc. Diese bieten die Grundlage für eine gute Steuerung. Eine Auswahl dieser technischen Einflussfaktoren wird in der vorliegenden Arbeit anhand von vier hydraulischen MPKs der Fa. Ottobock (Ottobock SE & Co. KGaA, Duderstadt, Deutschland) untersucht werden. Die Ergebnisse sollen eine Grundlage für die Bewertung der Auswirkung jedes technischen Einflussfaktors auf die Performance schaffen und Stellschrauben aufzeigen, anhand derer MPKs weiter verbessert werden können. Bei den untersuchten MPKs handelt es sich um vier verschiedene hydraulische MPKs, welche einen ähnlichen Grundaufbau aufweisen, jedoch für Anwender unterschiedlicher Mobilitätsgrade konzipiert und optimiert sind. Folgende Einflussfaktoren werden untersucht: 1. Masse, Schwerpunkt und Massenträgheitsmoment, 2. Genauigkeit des Kniewinkelsensor, 3. Genauigkeit des Hydraulikkraftsensors, 4. Genauigkeit des Rollwinkels (Raumlagesensor), 5. Latenzzeit (Reaktionszeit) der Ventile, 6. Widerstand und Rückstellkraft, 7. Aufheiz- und Abkühlverhalten der Hydraulik, 8. Erhitzung von empfindlichen Komponenten und Abweichung des Hydraulik-Temperatursensors, 9. Akkulaufzeit bei durchschnittlicher Nutzung. Diese technischen Einflussfaktoren konnten detailliert untersucht und die Ergebnisse verständlich aufbereitet werden. Teilweise waren keine direkten Rückschlüsse auf die Performance möglich, weil dafür eine detailliertere Kenntnis der Steuerung notwendig wäre, welche nicht Fokus dieser Arbeit ist. Außerdem kam es zu der Schlussfolgerung, dass „Performance“ nicht absolut messbar ist, sondern stark von den Bedürfnissen des jeweiligen Anwenders abhängt. Die Ergebnisse dieser Arbeit schaffen eine Grundlage für weitere Untersuchungen und Verbesserungen der MPKs.

Through a transfemoral amputation, the patient loses the knee, which is needed for almost every type of locomotion. It provides stability in the stance phase and mobility in the swing phase. A knee prosthesis is intended to replace this important and complex function and thus restore the user’s mobility as far as possible. Microprocessor-controlled knee prostheses (MPKs) have a built-in microprocessor that uses sensor data to determine which gait phase the user is currently in and thus regulates the resistance of the artificial knee joint accordingly. This control system is probably the most decisive factor for the performance of an MPK. However, it always works with the specific technical conditions of the prosthesis, such as its mass, the accuracy of the sensors, etc. These provide the basis for good control. A selection of these technical influencing factors will be examined in this work using four hydraulic MPKs from Ottobock (Ottobock SE & Co. KGaA, Duderstadt, Germany). The results are intended to provide a basis for evaluating the impact of each technical influencing factor on performance and to identify levers that can be used to further improve MPKs. The MPKs investigated are four different hydraulic MPKs, which have a similar basic structure but are designed and optimized for users with different degrees of mobility. The following influencing factors are examined: 1. Mass, center of gravity and moment of inertia, 2. Accuracy of the knee angle sensor, 3. Accuracy of the hydraulic force sensor, 4. Accuracy of the roll angle (spatial position sensor), 5. Latency (reaction time) of the valves, 6. Resistance and restoring force, 7. Heating and cooling behavior of the hydraulics, 8. Heating of sensitive components and deviation of the hydraulic temperature sensor, 9. Battery life at average use. These technical influencing factors were examined in detail and the results were presented in a comprehensible manner. In some cases, it was not possible to draw any direct conclusions about performance, as this would require more detailed knowledge of the control system, which is not the focus of this work. It was also concluded that “performance” is not absolutely measurable, but depends heavily on the needs of the respective user. The results of this work provide a basis for further investigations and improvements to MPKs.