In dit proefschrift is een nieuwe methode ontwikkeld om de eigenschappen van de Enkel-voetorthese (EVO) te meten. Met behulp van deze methode is het lopen met verschillende soorten EVO’s geëvalueerd. Vervolgens is nagegaan met welke eigenschappen de EVO voor de grootste verbetering in de loopvaardigheid zorgt.

Samenvatting proefschrift Daan J.J. Bregmans

proefschrift-111012-daanbregmanVeel mensen met een herseninfarct of multiple sclerose hebben problemen met het lopen. Om het lopen te verbeteren, kan een enkel-voetorthese (EVO) worden voorgeschreven. Een EVO is een spalk die wordt gedragen rondom de voet en het onderbeen. Het is niet duidelijk welke mechanische eigenschappen de EVO zou moeten bezitten om de grootste verbetering van het lopen te bereiken. Het doel van dit proefschrift was het vinden van deze optimale mechanische eigenschappen van de EVO.

In Hoofdstuk 1. werd een nieuw apparaat geïntroduceerd waarmee de mechanische eigenschappen van EVO’s kunnen worden gemeten. Vervolgens werd de betrouwbaarheid van de metingen met dit apparaat vastgesteld. Met het apparaat, genaamd BRUCE, kunnen de stijfheid en de neutrale hoek van de EVO rond het enkelgewricht en rond het gewricht in de voorvoet worden gemeten. De neutrale hoek is de stand van de EVO wanneer er geen kracht op wordt uitgeoefend. Het BRUCE apparaat bootst een menselijk been na, en het meet continu zowel de stand van dit kunstmatige been en de krachten die de EVO uitoefent op het kunstmatige been. De betrouwbaarheid van de metingen werd nagegaan door het herhaald meten van vier EVO’s, en het vaststellen van de meetfout. Hieruit bleek dat de stijfheid rond enkel en voorvoet konden worden gemeten met zeer hoge betrouwbaarheid, terwijl de neutrale hoek rond enkel en de voorvoet konden worden gemeten met een aanvaardbare betrouwbaarheid. Met een vaste gebruiker was de betrouwbaarheid van zowel de stijfheid als de neutrale hoek zeer hoog.

In Hoofdstuk 2 werd een nieuw apparaat geïntroduceerd waarmee de mechanische eigenschappen van EVO’s kunnen worden gemeten. Vervolgens werd de betrouwbaarheid van de metingen met dit apparaat vastgesteld. Met het apparaat, genaamd BRUCE, kunnen de stijfheid en de neutrale hoek van de EVO rond het enkelgewricht en rond het gewricht in de voorvoet worden gemeten. De neutrale hoek is de stand van de EVO wanneer er geen kracht op wordt uitgeoefend. Het BRUCE apparaat bootst een menselijk been na, en het meet continu zowel de stand van dit kunstmatige been en de krachten die de EVO uitoefent op het kunstmatige been. De betrouwbaarheid van de metingen werd nagegaan door het herhaald meten van vier EVO’s, en het vaststellen van de meetfout. Hieruit bleek dat de stijfheid rond enkel en voorvoet konden worden gemeten met zeer hoge betrouwbaarheid, terwijl de neutrale hoek rond enkel en de voorvoet konden worden gemeten met een aanvaardbare betrouwbaarheid. Met een vaste gebruiker was de betrouwbaarheid van zowel de stijfheid als de neutrale hoek zeer hoog.

In Hoofdstuk 3 werd de informatie van de metingen met het BRUCE apparaat gebruikt om het functioneren van EVO’s voorgeschreven bij een drop-foot te bestuderen. Bij een drop-foot wordt de (voor)voet niet genoeg omhooggehouden, waardoor hij afhangt tijdens de zwaaifase van het lopen. Zowel het functioneren van de EVO zelf, als de hoeveelheid profijt van de EVO voor de patiënt werden bestudeerd. Het verschil in energieverbruik tijdens het lopen met en zonder de EVO werd gebruikt als maat voor de hoeveelheid profijt die de patiënt van de EVO ondervindt. De verwachting was dat de EVO alleen profijt zou opleveren, wanneer deze de afhangende voet goed zou ondersteunen tijdens de zwaaifase en het bewegen van de voet niet zou hinderen tijdens de standfase. Bij 7 patiënten met een herseninfarct of multiple sclerose werden de verschillen in energieverbruik tussen het lopen met en zonder de EVO bepaald.
Daarnaast werd bij deze 7 patiënten een 3D-loopanalyse uitgevoerd en werden de eigenschappen van de EVO bepaald met het BRUCE apparaat. De resultaten lieten zien dat de EVO’s met een gemiddelde stijfheid van 0,19 Nm per graad voldoende stijf waren om de voet te ondersteunen in de zwaaifase, zonder daarbij de enkel te belemmeren in de standfase. Voor de 7 patiënten werd gemiddeld een 12% lager energieverbruik gevonden met de EVO. Bij 3 van de 7 patiënten verminderde de EVO het energieverbruik echter niet. Deze patiënten bleken vrijwel geen last van een hangende voet in de zwaaifase te hebben. Dit liet zien dat het belangrijk is het voorschrijven van de EVO goed af te stemmen op de loopafwijking van de patiënt.

mszien-100603-enkel-voet-orthese-daan
In Hoofdstuk 4 werd de informatie van de metingen met het BRUCE apparaat gebruikt om het functioneren van EVO’s bij patiënten met een verminderde enkelafzet te onderzoeken. Bij het normale lopen komt het grootste deel van het vermogen uit de afzet met de enkel. Als het niet mogelijk is met de enkel af te zetten, kost het lopen meer energie. Om de verminderde enkelafzet te ondersteunen kan een verende carbon EVO worden voorgeschreven. Een verende EVO slaat energie op in het begin van de standfase van het lopen, en geeft deze energie weer terug aan het einde van
de standfase. We verwachtten dat de teruggegeven energie aan het einde van de standfase de enkelafzet zou laten toenemen, en dat daardoor het energieverbruik tijdens het lopen lager zou zijn met de EVO.

Bij 10 patiënten met een verminderde enkelafzet door een herseninfarct of multiple sclerose werd het energieverbruik van het lopen met en zonder een verende EVO bepaald. Ook werd een loopanalyse met en zonder de EVO uitgevoerd, en werden de eigenschappen van de EVO bepaald met het BRUCE apparaat. Met deze informatie werd vervolgens berekend welk deel van de krachten en momenten rond de enkel werden geleverd door de EVO, en welk deel door de patiënt zelf. De resultaten lieten zien dat het energieverbruik met de verende EVO gemiddeld met 9,8% omlaag ging. Er was echter ook minder beweging in de enkel wanneer de EVO gedragen werd, en ook de totale hoeveelheid arbeid rond de enkel tijdens het lopen nam af met de EVO. De EVO leverde 6o% van de positieve arbeid rond de enkel tijdens het lopen met de EVO, waardoor de totale hoeveelheid arbeid geleverd door de patiënt daalde met 11,1% wanneer de EVO gedragen werd. We concludeerden dat de afname in energieverbruik tijdens het lopen met een verende EVO wordt verklaard doordat de EVO een deel van de arbeid rond de enkel overneemt.

In Hoofdstuk 5 werd een computersimulatiemodel gebruikt om na te gaan of er een optimale stijfheid is voor verende EVO’s, waarbij het energieverbruik het laagste is. Ook keken we naar de hoeveelheid opgeslagen energie in de EVO bij EVO’s van verschillende stijfheid. Er werd een optimale EVO-stijfheid gevonden waarbij het model met het laagste energieverbruik liep. Bij deze optimale stijfheid was de hoeveelheid door de EVO opgeslagen en teruggegeven energie niet maximaal. Bij de EVO-stijfheid waar het meeste energie in de EVO werd opgeslagen was de teruggave van energie
namelijk te laat om voor een efficiënt looppatroon te kunnen zorgen. Bij hoge EVO stijfheid was de energieteruggave juist te vroeg. Bij de optimale EVO-stijfheid werd een grote hoeveelheid energie teruggeven vlak voordat het andere been de grond raakte, waardoor er weinig energie verloren ging bij de botsing van dit been met de grond. We
concludeerden dat het energieverbruik van het lopen met een verende EVO kan worden verlaagd door de keuze van de stijfheid van de EVO, en dat het energieverbruik tijdens het lopen met een verende EVO niet alleen afhankelijk is van hoeveelheid opgeslagen en teruggegeven energie door de EVO, maar ook van het moment waarop de energie
wordt teruggegeven door de EVO.

In Hoofdstuk 6 werd nagegaan wat het effect van de stijfheid van verende EVO’s is op het energieverbruik van het lopen bij 8 patiënten met een verminderde enkelafzet door een herseninfarct, multiple sclerose, of incomplete  dwarslaesie. Alle acht patiënten liepen in 6 condities: zonder EVO en met 5 EVO’s van oplopende stijfheid. In ieder van de condities werd het energieverbruik van het lopen bepaald, en werd een 3D-loopanalyse uitgevoerd. De eigenschappen van iedere EVO werden gemeten met het BRUCE apparaat, en gebruikt om te bepalen hoeveel iedere EVO bijdraagt aan de krachten en momenten rond de enkel. De resultaten lieten een gemiddelde optimale EVO-stijfheid van 1,40 (0,41) Nm per graad zien, waarbij het energieverbruik tijdens het lopen minimaal was. De optimale EVO-stijfheid bleek een compromis te zijn tussen de hoeveelheid arbeid die EVO voor zijn rekening neemt, die groot is bij een hoge stijfheid
van de EVO, en de bewegingsvrijheid van de enkel, die juist groot is bij een lage stijfheid van de EVO.

In Hoofdstuk 7 werd een ontwerp voor een nieuwe EVO voorgesteld. Eerder hadden we gevonden dat verende EVO’s het energieverbruik van het lopen kunnen verlagen door arbeid van de enkel over te nemen.Tegelijkertijd werd door de EVO de bewegingsvrijheid van de enkel beperkt, wat het lastig maakt af te zetten met de enkel. Een EVO die een deel van de arbeid van de enkel overneemt, zonder daarbij de vrijwillige afzet te belemmeren, zou theoretisch meer profijt voor de patiënt opleveren. Daarom werd de Klap-EVO ontworpen: een verende EVO die geen weerstand geeft tijdens het afzetten met de enkel.

In Hoofdstuk 8 keken we terug op de gebruikte methodes, werden de voornaamste resultaten op een rij gezet, en werd uitgeweid over de mogelijke gevolgen voor toekomstig onderzoek en voor de klinische praktijk. Er werd geconcludeerd dat de keuze van de methodes geen invloed heeft gehad op de belangrijkste resultaten. De belangrijkste resultaten waren:

  1. De ontwikkeling van een apparaat genaamd BRUCE, waarmee de eigenschappen van de EVO kunnen worden gemeten op een betrouwbare, en in de praktijk toepasbare manier. Wanneer de eigenschappen van een EVO bepaald zijn, kan met behulp van een loopanalyse berekend worden welke krachten en momenten de EVO tijdens het lopen heeft geleverd.
  2. De werkingsmechanismen van EVO’s voorgeschreven bij een drop-foot en een verminderde enkelafzet werden ontrafeld. We hebben laten zien dat een EVO met een stijfheid van 0,2 Nm per graad voldoende is om de voet te
    ondersteunen tijdens de zwaaifase van het lopen, zonder de beweging van de enkel te belemmeren. Verder is aangetoond dat verende EVO’s met een stijfheid van 2,5 Nm per graad voor een verminderd energieverbruik van het lopen kunnen zorgen door de arbeid van de enkel voor een deel over te nemen.
  3. Een computersimulatiemodel en metingen van patiënten lieten zien dat er een optimale stijfheid van verende EVO’s is, waarbij het lopen het meest efficiënt is. Modelsimulaties lieten zien dat dit optimum zowel afhankelijk is
    van de hoeveelheid energie die wordt opgeslagen en teruggeven door de EVO, als van het moment van de energieteruggave. De metingen van de patiënten lieten een indicatie van 1,4 Nm per graad als optimale stijfheid zien.

Voor volgend onderzoek suggereerden we dat de methodes, zoals beschreven in dit proefschrift, kunnen worden toegepast in toekomstig ortheseonderzoek. Verder zou toekomstig onderzoek zich kunnen richten op de invloed van andere eigenschappen van de EVO, zoals de neutrale hoek. Om de bevindingen uit dit proefschrift toe te passen in de klinische praktijk zou toekomstig onderzoek zich moeten richten op het vinden van factoren die de optimale EVO-eigenschappen kunnen voorspellen. Voor de klinische praktijk verwachten we dat het karakteriseren van de EVO met behulp van het BRUCE apparaat het voorschrijfproces van EVO’s objectiever zal maken, en daarmee zal zorgen voor een betere communicatie tussen artsen en de instrumentmakers die EVO’s vervaardigen. De werkingsmechanismen zoals beschreven in dit proefschrift, en de bijbehorende indicaties voor optimale EVO-stijfheid, kunnen nu worden toegepast
in de klinische praktijk.

Het volledige proefschrift is hier te lezen:http://dare.ubvu.vu.nl/bitstream/1871/23939/1/dissertation.pdf

Proefschrift: The Optimal Ankle Foot Orthosis. The influence of mechanical properties of Ankle Foot Orthoses on the walking ability of patients with central neurological disorders

Promotor: prof.dr. G.J. Lankhorst
Copromotoren: dr.ir. J. Harlaar, dr. V. de Groot

Curriculum Vitae

Personalia:

Naam:     Daan J.J. Bregman
Geboren: 11 maart 1982

 Opleiding:

2006, Bewegingswetenschappen VU Amsterdam

Werkervaring:

Momenteel werkt Daan bij het Valorisation Centre van de TU Delft.

100603-enkel-voet-orthese-daan2

Promotie:

12 oktober 2011, VU Amsterdam

Relatie met MS:

Ik koos voor dit onderzoek omdat het een combinatie was van fundamenteel onderzoek doen met toch een directe toepassing in de praktijk. Dat vond ik erg belangrijk. Het is fijn om te zien dat je met de wetenschap iets kunt bijdragen aan de maatschappij.