Bionische sporters: baanbrekende prothesen die atletische gelijkwaardigheid mogelijk maken

Zowel voor cosmetische als functionele doeleinden, is de vervanging van een ontbrekend lichaamsdeel met een prothese (Grieks voor bevestiging) altijd een noodzaak geweest. De huidige technologie ging verder dan de puur mechanische vervanging van het lid, het verheffend tot het biomechanische, dankzij de introductie van myo-elektrische sensoren voor het activeren van de prothese door de spieractiviteit. Hier richten we ons op de materialen die de prothese constituent, in het bijzonder die ontworpen voor sporten, in plaats van de elektronica.

Prothese evolutie

Terug in de tijd, amputatie was de enigste behandeling voor elke ernstige wond in een lid. Echter, de vervanging van het ontbrekende lid was zeldzaam en gereserveerd voor edelen. De eerste gedocumenteerde prothese werd in Egypte ontdekt. Daar werd een mummy gedateerd rond 950 v.Chr. van een edeldame gevonden met een prothetische teen van hout en leer en een gesneden nagel als replica van het ontbrekende deel (Figuur 1) [1].

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

Tijdens de Middeleeuwen, begonnen prothesen meer functioneel te worden (Figuur 2). Mannen die hun armen verloren tijdens gevechten, kregen hun lid vervangen met een ijzeren toestel met elementen die hen toestaan een schild te plaatsen tijdens gevechten. Ondertussen, op schepen, hadden zeilers hun voorarmen vervangen met de bekende haak en hun benen met houten stokken, beide materialen gemakkelijk beschikbaar aan boord.

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

De eerste functionele prothese was bedacht door de Franse chirurg Ambroise Paré in de 16e eeuw. Prothesen omvatten een buigbare knie, in staat te vergrendelen tijdens staan, en handen die de Franse kapiteins op paarden toestonden te grijpen en hun teugel los te laten [3]. In de 17e eeuw, voegde een Nederlandse chirurg, Pieter Verduyn, articulaties toe aan zijn prothese alsook betere bevestiging aan het been. Later, omvatten prothesen veren om spieren en pezen te simuleren. In de jaren 1990, werden microprocessoren geïntroduceerd om de kniebeweging van de prothese te controleren, en sensoren registreerden de elektromyografische stimulus die de prothese bewogen (Figuur 3) [3].

Figuur 3. Evolutie van trans-femorale prothese in de jaren [3].

Drie hoofcomponenten

De prothese kan vier verschillende lichaamsdelen vervangen genoemd als gevolg van hun locaties: trans-humerale, trans-radiale, trans-tibiale en trans-femorale. Onafhankelijk van hun toepassing en plaatsing, moeten prothesen licht zijn om hun gebruik te vergemakkelijken (het zou niet helpen om een kunstmatig lid te hebben dat zoveel weegt als het originele, namelijk 10% en 30-40% van het lichaamsgewicht voor de twee armen en de twee benen, respectievelijk).

De prothese is samengesteld uit drie hoofcomponenten (ophang, pylon en socket) die doorgaans hetzelfde blijven tussen typen prothesen (esthetisch of functioneel) en locatie [4].

De socket is het deel van de prothese dat aan het residuele lid bevestigt. Voor het garanderen van het comfort van de gebruiker en de totale efficiëntie van de prothese, is het essentieel dat de socket de huid van het residuele lid niet irriteert en de impact of kracht kan overdragen. De socket wordt meestal gemaakt van polypropyleen, ter vervanging van de eerder gebruikte wol.

De ophang is het verbindingsstuk tussen de pylon en de socket. Het is vitaal om de pylon bevestigd te houden aan het residuele lid, en meestal wordt een zuigmethode gebruikt om een vacuum te creëren en de twee delen bevestigd te houden.

De pylon is de kern van de prothese. Typisch wordt het gecreëerd van titanium of koolstofvezels (weerstandsfähiger, lichter en sterker dan staal), ter vervanging van het hout dat vroeger gebruikt werd. De pylon wordt vaak bedekt met zacht materiaal dat de kleur van de natuurlijke huid matcht.

Prothese in sporten

Na de Tweede Wereldoorlog, werd de betrokkenheid van geamputeerden in sportactiviteiten een kans voor hen om terug te keren naar normaliteit, wat hun welzijn en gevoel van sociale inclusie verhoogde. Daarom ging een verdere stap na de vervanging van het ontbrekende lid in de richting van de optimalisatie van de prothese voor gebruik in sporten.

Deze ontwikkeling is voornamelijk beroemd voor hardlopen. In de jaren 1980, was een van de eerste prothesen gecreëerd voor meer zware fysieke activiteit de Seattle Foot (Figuur 4). Een interne flexibele Delrin (een kristallijn plastic met kenmerken tussen metalen en plasticen) kiel omringd door een polyurethaan schil fungeerde als een veer, wat 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, wisten lager been geamputeerden meer energie-efficiënt te hardlopen. De introductie van koolstofvezels maakte het inderdaad mogelijk om meer op de teen te hardlopen, een kenmerk van normale hardlopers [7]. In het bijzonder, toonde de Flex-Foot de hoogste energie teruggave ratio in vergelijking met de andere prothesen gemaakt met polyurethaan of polyacetaal [5].

Figuur 5. Flex-Foot prothese [8].

Onlangs, sloeg de naam van de Zuid-Afrikaan Oscar Pistorius de koppen als eerste dubbel-geamputeerde atleet om deel te nemen aan de Olympische Spelen en het debat over technologische doping te starten (Figuur 6). De sprintatleet gebruikte de Cheetahs, uitgevonden door de medische ingenieur Van Phillips. Hun vorm is ontworpen voor voorwaarts gaan, en dus, is een hiel niet inbegrepen.

Volgens Josh McHugh [9], "De Cheetahs lijken van zich af te stuiter. Het is onmogelijk om stil te staan op ze, en moeilijk om langzaam te bewegen. Eenmaal ze aan de gang zijn, zijn Cheetahs extreem moeilijk te controleren." De reden ligt in het feit dat de Cheetahs gemaakt zijn van koolstofvezel-versterkt polymer (als polyester, epoxy of nylon dat de koolstofvezel bindt). Afhankelijk van de richting en dichtheid van de vezels, kunnen verschillende stijfheidsniveaus gegeven worden.

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 het mechanische werk aan de enkelgewricht tussen de negatieve en positieve fase 0,907 voor de Cheetahs vergeleken 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, in de Cheetahs dan in de valide atleten [7]. Vanwege de verbeterde elastische eigenschappen van het kunstmatige lid, gebruiken Paralympische verspringers het prothetische been om af te stoten tijdens de sprong.

Figuur 6. Oscar Pistorius aan de start met Cheetah prothese [10].

Tijdens het hardlopen, hebben trans-femorale geamputeerde atleten meer nadelen dan de trans-tibiale. De hoofreden ligt in het feit dat het kniegewricht moeilijk mechanisch te reproduceren is vanwege zijn hoge complexiteit. De trans-femorale atleet's hardlopen wordt gekenmerkt door een asymmetrie tot 36% in de zwaaifase tussen de valide en onvalide kant [11]. Daarom zijn verschillende oplossingen voorgesteld om het probleem van inertie dat de versnelling van de prothese tijdens de herstelfase beïnvloedt, te verhelpen.

Niet alleen hardlopen

De evolutie van prothese voor sporten is niet beperkt tot de wereld van hardlopen. Normaal gesproken, worden lagere ledematen prothesen gebruikt in sporten die een staande positie vereisen zoals skiën, terwijl bovenste ledematen prothesen gebruikt worden voor sporten zoals roeien of fietsen. In de laatste, zijn de voortstuwende kracht en stabiliteit gegeven door de armen essentieel. Voor veel sporten, is een aanpassing van de prothesen niet nodig om het te spelen, maar in de meerderheid van gevallen is het wel [11].

In fietsen, moet de prothese van het bovenste lid toegestaan zijn te breken en de versnellingen te veranderen. Een standaard open/close mechanisme zou voldoende moeten zijn. Echter, voor competitief fietsen, moet de prothese de atleet's vermogen garanderen om zijn/haar positie op het stuur te veranderen [11]. Voor mountainbiken, kan een schokdemper de trillingen van de rit die overgedragen worden aan het stuur verminderen (Figuur 7).

Voor het lagere lid, zijn de energie-opslagende voeten die nuttig zijn voor wandelen en hardlopen een nadeel in fietsen, niet toestemmend goede voortstuwing vanwege hun elasticiteit [11]. Over het algemeen is een normale lagere lichaamsprothese voldoende voor het garanderen van de duw. Nog steeds, enkele aanpassingen moeten overwogen worden, zoals een bredere trap en bochten om de prothese aan de trap te fixeren.

Figuur 7. Zuiger aanpassing van een bovenlichaamsprothese voor mountainbiken [12].

Eenzijdige geamputeerden van boven- en onderliggen kunnen meestal zonder problemen zwemmen, mits ze waterdichte prothesen hebben. Echter, om hun efficiëntie te verbeteren, wordt een vin vaak direct bevestigd aan de socket van het gezonde lid (Figuur 8) en op dezelfde lengte als het gezonde lid [11].

Figuur 8. Vin aanpassing voor zwemmen [12].

Verder, worden de Bartlett Pees Universele Knie en de XT9 prothesen gebruikt in extremesporten, van skiën tot snowboarden en motorfietsen. Beide prothesen zijn uitgevonden door sporters die hun ledematen in ongelukken verloren.

De toekomst

Nike, Adidas, en dergelijke bedrijven hebben hun prothese voor sporten ontwikkeld. Adidas creëerde de Symbiose prothetische lijn gebruikmakend van materialen als koolstofvezel, sorbothane (een polyurethaan) en aluminium [13]. Nike bewoog in de richting van de creatie van prothesen die kunnen interfaceren met de koolstofvezel blaadje van Ossur, wat voordelen biedt als stabiliteit, energieretour en herstel (Figuur 9).

Figuur 9. Nike prothese [13].

Om de prijs van de sport- en normale gebruik prothese te verlagen, is 3D-printen ingezet in hun productie. Net als normale prothesen, worden 3D-geprinte prothesen gemaakt van plastic zoals polypropyleen, polyethyleen, acrylate en polyurethaan, met een binnenste pylon van titanium, aluminium of koolstofvezel.

De toekomst van sportprothesen en normaal gebruik lijkt te liggen in osteointegratie, namelijk de bevestiging van de prothese direct in het been van de geamputeerde met behulp van titanium. Echter, osteointegratie presenteert voor- en nadelen. De afwezigheid van de socket zal toestaan om ongemak en druk op de huid te verminderen. Aan de andere kant, is het risico op infectie hoog en de patiënt moet dagelijks zorgen voor de abutment huidzone, met de mogelijkheid van niet in staat te zijn om activiteiten als springen of hardlopen te doen.