Auswirkungen der Leistung der Prothesenknöchel und der Kategorie der Fußsteifigkeit auf biomechanische Asymmetrie und Knie-Moment beim Gehen in verschiedenen Geschwindigkeiten

Warum ausgewogene Schritte wichtig sind

Für viele Menschen, die ein Unterschenkel verloren haben, ist das Gehen mit einer Prothese ein täglicher Erfolg — es kann aber auch die verbliebene, intakte Gliedmaße belasten. Wenn ein Bein härter arbeiten muss als das andere, können die zusätzlichen Kräfte am intakten Knie und Hüftgelenk das Risiko für Gelenkschmerzen und Osteoarthritis im Laufe der Zeit erhöhen. Diese Studie untersucht, wie das Feinabstimmen moderner Prothesenfüße — durch Anpassung ihrer Steifigkeit und der zugeführten Leistung bei jedem Schritt — dazu beitragen kann, dass Menschen gleichmäßiger gehen und so potenziell ihre Gelenke schützen.

Zwei Arten von High-Tech-Füßen

Die meisten Menschen mit einer Unterschenkelamputation (transtibial) verwenden einen passiven, federähnlichen Fuß, der Energie speichert und freigibt, aber nicht aktiv vom Boden wegschiebt. Solche Geräte geben typischerweise nur etwa die Hälfte der Energie zurück, die ein biologischer Knöchel liefern würde, sodass das intakte Bein zusätzliche Arbeit leisten muss. Eine neuere Option, die BiOM-angetriebene Knöchel-Fuß-Prothese, enthält einen eingebauten Motor und eine Feder, die während des Abstoßens Energie bereitstellen können. Die BiOM verwendet außerdem einen standardmäßigen passiven Fuß als Basis, der in verschiedenen Steifigkeits-„Kategorien“ angeboten wird und an Gewicht und Aktivitätsniveau des Nutzers angepasst ist. Das bedeutet, dass Kliniker sowohl die Steifigkeit des Prothesenfußes als auch die vom Motor bereitgestellte Leistung einstellen können — es ergeben sich viele mögliche Kombinationen, aber es gibt wenig Orientierungshilfe, welche Einstellungen den Körper am besten schützen.

Wie die Studie durchgeführt wurde

Dreizehn erfahrene Prothesenträger mit einseitiger Unterschenkelamputation gingen auf einem speziellen Laufband in Geschwindigkeiten von gemütlichem Schlendern (0,75 m/s) bis zügigem Gehen (1,75 m/s). Jede Person probierte 16 verschiedene Prothesen-Konfigurationen: vier Fußsteifigkeitskategorien (von zwei Stufen weicher als empfohlen bis eine Stufe steifer) und vier Leistungsbedingungen (ein passiver Fuß ohne Motor sowie die BiOM-Leistung abgestimmt auf das empfohlene Niveau, 10 % darüber und 20 % darüber). Während des Gehens maßen die Forschenden, wie lange jeder Fuß am Boden blieb, wie stark jeder Fuß bei den ersten und zweiten Spitzen der Schrittreaktionskraft auf das Laufband einwirkte und wie groß die Drehkraft am intakten Knie war — ein wichtiger Indikator, der mit Knieosteoarthritis in Verbindung steht.

Was sich allein durch Steifigkeit änderte

Die Veränderung der Steifigkeit des passiven Fußes hatte überraschend geringe Auswirkungen auf die Gangbalance. Über die getesteten Steifigkeitskategorien hinweg gab es keinen eindeutigen Wechsel darin, wie gleichmäßig die beiden Beine die Bodenkontaktzeit teilten, noch in der Symmetrie der ersten Spitze der vertikalen Bodenreaktionskraft. Nur ein Muster fiel auf: Die Verwendung des steifsten Fußes verringerte das Ungleichgewicht in der zweiten Kraftspitze im Vergleich zur Verwendung des weichsten Fußes, aber nur um etwas mehr als einen Prozentpunkt. Auch die Belastungen am intakten Knie blieben innerhalb des getesteten Bereichs größtenteils unbeeinflusst von Steifigkeitsänderungen. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass bei alltäglichen klinischen Entscheidungen zwischen ähnlichen kommerziellen Füßen moderate Steifigkeitsanpassungen die Gelenkbelastung oder die Schrittausgewogenheit möglicherweise nicht dramatisch verändern.

Was zusätzliche Leistung bewirken kann — und wann

Das Zuschalten des BiOM-Motors hatte deutlichere Effekte. Unabhängig von der zugrunde liegenden Fußsteifigkeit verringerte die Verwendung des angetriebenen Geräts die Unterschiede in der Bodenkontaktzeit zwischen Prothesen- und intaktem Bein im Vergleich zu einem passiven Fuß. Die Details zur Kraftsymmetrie hingen jedoch von der Gehgeschwindigkeit und dem Leistungsniveau ab. Bei der Abstimmgeschwindigkeit von 1,25 m/s ergab die BiOM-Nutzung mit 10–20 % über der empfohlenen Leistung das ausgewogenste Muster sowohl bei der ersten als auch bei der zweiten Kraftspitze zwischen den Beinen. Bei langsameren (0,75 m/s) und schnelleren (1,75 m/s) Geschwindigkeiten führte das Erhöhen der Leistung dagegen manchmal zu größeren Kraftungleichgewichten. Trotz dieser Änderungen in der Arbeitsverteilung zwischen den Beinen fand die Studie keine konsistenten Verringerungen des entscheidenden Drehmoments am intakten Knie bei Verwendung des angetriebenen Geräts in den getesteten Einstellungen.

Was das fürs tägliche Gehen bedeutet

Für Menschen mit Unterschenkelamputation und ihre Behandler zeichnen diese Ergebnisse ein nuanciertes Bild. Eine angetriebene Knöchel-Fuß-Prothese wie die BiOM kann helfen, die Schritte auszugleichen, insbesondere nahe der Geschwindigkeit, für die sie abgestimmt wurde, und etwas steifere Füße können einen Aspekt der Kraftbalance verbessern. Innerhalb des getesteten Bereichs reduzierten jedoch weder Steifigkeitsänderungen noch höhere Leistung deutlich die Kniebelastung, die als beitragender Faktor für das Osteoarthritisrisiko angesehen wird. Die Autorinnen und Autoren schlagen vor, dass Prothetiker die Leistungsparameter an die typische Gehgeschwindigkeit einer Person anpassen sollten und dass künftige Geräte die Leistung möglicherweise automatisch mit der Geschwindigkeit abgleichen könnten. Zwar kann die Feinabstimmung heutiger Prothesen die Symmetrie verbessern, doch der vollständige Schutz der langfristigen Gelenkgesundheit wird voraussichtlich weitere Verbesserungen in Design und Steuerung erfordern.

Zitation: Tacca, J.R., Colvin, Z.A. & Grabowski, A.M. Effects of prosthetic ankle power and foot stiffness category on biomechanical asymmetry and knee moment during walking at different speeds. Sci Rep 16, 7207 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37225-3

Schlüsselwörter: prothetischer Knöchel, Transtibiale Amputation, angetriebene Prothese, Gangsymmetrie, Knieosteoarthritis