Generation Bionic Sportsmen - Kunstmatige ledematen voor gelijkheid

Voor zowel cosmetica als functionaliteit, de vervanging van een ontbrekend lichaamsdeel door een prothese (Grieks voor bevestiging ) is altijd een noodzaak geweest. De huidige technologie ging verder dan de loutere mechanische vervanging van de ledemaat, maar verhief deze tot biomechanisch, dankzij de introductie van myo-elektrische sensoren voor het activeren van de prothese door middel van spieractiviteit. Hier zullen we ons concentreren op de materialen waaruit de prothese bestaat, met name de materialen die zijn ontworpen voor sport, in plaats van op de elektronica.

Prothese evolutie

Terug in de tijd was amputatie de enige behandeling voor een ernstige wond in een ledemaat. Het vervangen van de ontbrekende ledemaat was echter zeldzaam en voorbehouden aan edelen. De eerste gedocumenteerde prothese werd ontdekt in Egypte. Daar, een mummie gedateerd rond 950 voor Christus. van een edelvrouw werd gevonden met een prothetische teen van hout en leer en een uitgesneden teennagel als replica van het ontbrekende deel (Figuur 1) [1].

Figuur 1. Esthetische vinger gedateerd 959 v. Chr. ontdekt in Egypte [2].

Tijdens de Middeleeuwen begon de prothese functioneler te worden (Figuur 2). Mannen die hun armen verloren tijdens gevechten, lieten hun ledematen vervangen door een apparaat van ijzer met elementen waarmee ze een schild konden plaatsen tijdens gevechten. Ondertussen lieten zeelieden op schepen hun onderarmen vervangen door de beroemde haak en hun benen door houten stokken, beide materialen die gemakkelijk verkrijgbaar zijn aan boord.

Figuur 2. IJzeren prothetische arm uit de Middeleeuwen [1].

De eerste functionele prothese werd in de 16e eeuw bedacht door de Franse chirurg Ambroise Paré. De prothese omvatte een gebogen knie, die staand kon worden vergrendeld, en handen waarmee de Franse kapiteins op paarden hun teugels konden vastpakken en loslaten [3]. In de 17e eeuw nam een ​​Nederlandse chirurg, Pieter Verduyn, articulaties in zijn prothese op, evenals een betere bevestiging aan het been. Later bevatte de prothese veren om spieren en pezen te simuleren. In de jaren negentig werden microprocessors werden geïntroduceerd om de kniebeweging van de prothese te regelen en sensoren registreerden de elektromyografische stimulus die de prothese bewoog (Figuur 3) [3].

Figuur 3. Evolutie van transfemorale prothese in de jaren [3].

Drie hoofdcomponenten

De prothese kan vier verschillende lichaamsdelen vervangen genoemd als gevolg van hun locaties:transhumeraal, transradiaal, transtibiaal en transfemoraal. Onafhankelijk van hun aanbrenging en plaatsing, moeten de prothesen licht zijn om het gebruik ervan te vergemakkelijken (het zou niet nuttig zijn om een ​​kunstledemaat te hebben die hetzelfde weegt als de originele, d.w.z. 10% en 30-40% van het lichaamsgewicht voor de twee armen en de twee benen, respectievelijk).

De prothese bestaat uit drie hoofdcomponenten (ophanging, pyloon en koker) die over het algemeen hetzelfde blijven tussen de soorten prothesen (esthetisch of functioneel) en de locatie [4].

De aansluiting is het deel van de prothese dat hecht aan het restledemaat. Om het comfort van de gebruiker en de totale efficiëntie van de prothese te garanderen, is het essentieel dat de koker de huid van het restledemaat niet irriteert en de impact of kracht kan overbrengen. De socket is meestal gemaakt van polypropyleen, ter vervanging van de eerder gebruikte wol.

De schorsing is de kruising tussen de pyloon en de socket. Het is van vitaal belang om de pyloon aan het restledemaat vast te houden, en meestal wordt een zuigmethode gebruikt om een ​​vacuüm te creëren en de twee delen vast te houden.

De pyloon vormt de kern van de prothese. Meestal is het gemaakt van titanium- of koolstofvezels (veerkrachtiger, lichter en sterker dan staal), ter vervanging van het hout dat in de tijd werd gebruikt. De pyloon is vaak bedekt met zacht materiaal dat past bij de kleur van de natuurlijke huid.

Prothese in de sport

Na de Tweede Wereldoorlog werd de betrokkenheid van geamputeerden bij sportactiviteiten een kans voor hen om terug te keren naar de normale gang van zaken, waardoor hun welzijn en gevoel van sociale inclusie toenam. Na de vervanging van het ontbrekende ledemaat ging daarom een ​​volgende stap in de richting van de optimalisatie van de prothese voor gebruik in de sport.

Deze ontwikkeling staat vooral bekend om hardlopen. In de jaren tachtig was een van de eerste prothesen die werden gemaakt voor meer inspannende fysieke activiteit, de Seattle Foot (Figuur 4). Een interne flexibele Delrin (een kristallijn plastic met eigenschappen tussen metalen en plastics) kiel omgeven door een polyurethaan schaal fungeerde als een veer die een deel van de energie teruggaf [5].

Figuur 4. Doorsnede van de Seattle-voet [6].

Door gebruik te maken van Flex-Foot (Figuur 5) en Re-Flex VSP, slaagden geamputeerden van de onderste ledematen erin om energiezuiniger te rennen. De introductie van koolstofvezels maakte het namelijk mogelijk om meer op de tenen te lopen, een kenmerk van de normale hardlopers [7]. Met name de Flex-Foot vertoonde de hoogste energieretourratio in vergelijking met de andere prothesen gemaakt met polyurethaan of polyacetaal [5].

Afbeelding 5. Flex-Foot-prothese [8].

De laatste tijd haalde de naam van de Zuid-Afrikaan Oscar Pistorius de krantenkoppen als eerste atleet met dubbele amputatie die deelnam aan de Olympische Spelen en die het debat over technologische doping op gang bracht (Figuur 6). De sprintloper gebruikte de Cheetahs , uitgevonden door de medisch ingenieur Van Phillips. Hun vorm is ontworpen om vooruit te gaan, en dus is een hiel niet inbegrepen.

Volgens Josh McHugh [9]:"De cheeta's lijken uit zichzelf te stuiteren. Het is onmogelijk om erop stil te staan, en moeilijk om langzaam te bewegen. Als ze eenmaal aan de gang zijn, zijn cheeta's extreem moeilijk te controleren." De reden ligt in het feit dat de cheeta's zijn gemaakt van koolstofvezelversterkt polymeer (zoals polyester, epoxy of nylon dat de koolstofvezel bindt). Afhankelijk van de richting en dichtheid van de vezels kunnen verschillende stijfheidsniveaus worden opgegeven.

De koolstofvezel werkt als een veer, die de kinetische energie van de atleet tijdens elke stap opslaat en vrijgeeft. In het bijzonder is de verhouding van de mechanische arbeid aan het enkelgewricht tussen de negatieve en positieve fase 0,907 voor de cheeta's in vergelijking met 0,401 voor gezonde atleten [7].

Het mechanische werk in de knie was 11 en acht keer hoger in de negatieve en positieve fase, respectievelijk bij de cheeta's dan bij de bekwame atleten [7]. Door de verbeterde elastische eigenschappen van het kunstledemaat, gebruiken de Paralympische verspringers het prothetische been om op te stijgen tijdens de sprong.

Afbeelding 6. Oscar Pistorius aan het begin met Cheetah-prothese [10].

Tijdens het hardlopen hebben atleten met transfemoraal geamputeerde meer nadelen dan de trans-tibiale. De belangrijkste reden ligt in het feit dat het kniegewricht vanwege de hoge complexiteit moeilijk mechanisch te reproduceren is. Het hardlopen van de transfemorale atleet wordt gekenmerkt door een asymmetrie tot 36% in de zwaaifase tussen de bekwame en ongeschikte kant [11]. Daarom zijn er verschillende oplossingen voorgesteld om het probleem van traagheid, dat de versnelling van de prothese tijdens de herstelfase beïnvloedt, te verhelpen.

Niet alleen hardlopen

De evolutie van protheses voor sport is niet beperkt tot de wereld van hardlopen. Normaal gesproken worden prothesen voor de onderste ledematen gebruikt bij sporten waarbij een rechtopstaande houding nodig is, zoals skiën, terwijl prothesen voor de bovenste ledematen worden gebruikt voor sporten zoals roeien of fietsen. In het laatste geval zijn de voortstuwing en stabiliteit van de armen essentieel. Voor veel sporten is een aanpassing van de prothese niet nodig om het te kunnen beoefenen, maar in de meeste gevallen wel [11].

In fietsen , moet de prothese van het bovenste lidmaat kunnen breken en schakelen. Een standaard openings-/sluitmechanisme zou voldoende moeten zijn. Voor wedstrijdwielrennen moet de prothese echter garanderen dat de atleet ook zijn/haar positie op het handvat kan veranderen [11]. Bij mountainbiken kan een schokdemper de trillingen van de rit die op de handgreep worden overgebracht, verminderen (Figuur 7).

Voor de onderste ledematen, de energiebesparende voeten die nuttig zijn bij lopen en rennen vormen een nadeel bij het fietsen, waardoor een goede voortstuwing niet mogelijk is vanwege hun elasticiteit [11]. Over het algemeen is een normale onderlichaamprothese voldoende om de stuwkracht te garanderen. Toch moeten er enkele aanpassingen worden overwogen, zoals een breder pedaal en bochten om de prothese aan het pedaal te bevestigen.

Figuur 7. Zuigeraanpassing van een bovenlichaamprothese voor mountainbiken [12].

Eenzijdig geamputeerden van de bovenste en onderste ledematen kunnen meestal zonder problemen zwemmen, zolang het maar waterdichte prothesen zijn. Om hun efficiëntie te verbeteren, wordt een flipper echter vaak direct bevestigd aan de holte van het niet-aangedane lid (Figuur 8) en op dezelfde lengte van het niet-aangedane lid [11].

Figuur 8. Flipperaanpassing voor zwemmen [12].

Bovendien zijn de Bartlett Tendon Universal Knee en de XT9 protheses die worden gebruikt in extreme sporten, van skiën tot snowboarden en motorrijden . Beide prothesen zijn uitgevonden door sporters die bij een ongeluk hun ledematen verloren.

De toekomst

Nike, Adidas en andere bedrijven hebben hun prothese voor sport ontwikkeld. Adidas creëerde de Symbiosis-prothetische lijn met materialen als koolstofvezel, sorbothaan (een polyurethaan) en aluminium [13]. Nike bewoog zich in plaats daarvan in de creatie van protheses die zouden kunnen communiceren met het koolstofvezelblad van Ossur, wat voordelen oplevert zoals stabiliteit, energieteruggave en herstel (Figuur 9).

Afbeelding 9. Nike-prothese [13].

Om de prijs van de prothese voor sport en normaal gebruik te verlagen, is 3D-printen gebruikt bij de productie ervan. Net als normale protheses zijn 3D-geprinte protheses gemaakt van kunststoffen zoals polypropyleen, polyethyleen, acryl en polyurethaan, met een binnenste pyloon van titanium, aluminium of koolstofvezel.

De toekomst van sportprothesen en normaal gebruik lijkt te liggen in osteo-integratie, d.w.z. de bevestiging van de prothese direct in het bot van de geamputeerde met behulp van titanium. Echter, osteo-integratie heeft voor- en nadelen. De afwezigheid van de socket zal het ongemak en de druk op de huid verminderen. Aan de andere kant is het risico op infectie groot en de patiënt moet dagelijks voor de huid van het abutment zorgen, met de mogelijkheid om activiteiten als springen of rennen niet te kunnen doen.