Moment obrotowy dla harmonijnego chodu

Utrata nogi lub części kończyny dolnej może mieć wiele przyczyn. U młodszych osób powodem jest zazwyczaj wada wrodzona lub wypadek. W przypadku osób starszych są to częściej nowotwory, infekcje i przewlekłe zaburzenia krążenia; te ostatnie często wywoływane przez cukrzycę. Problem ten dotyka milionów ludzi na całym świecie, głównie w formie utraty kończyny dolnej.

Ze znalezisk archeologicznych w Egipcie i Chinach wiemy, że próby zastąpienia brakujących części ciała protezami były podejmowane od co najmniej 3 tys. lat. Stereotypowa drewniana noga z filmów o piratach to realistyczne przedstawienie tego, jak wyglądały protezy nóg w przeszłości. Wykonywano je z drewna i skóry, więc z natury były sztywne, przez co noszące je osoby utykały.

Od drewnianej nogi pirata do zaawansowanego sprzętu ortopedycznego

Dawne protezy nijak nie przypominają tych dzisiejszych, ponieważ nowoczesne sztuczne kończyny mają przeguby, algorytmy sterujące i elementy sprężynowe wykonane z zaawansowanych technologicznie materiałów. Z ich pomocą wzorzec chodu staje się znacznie bardziej naturalny. Niektóre z nich zostały wręcz zaprojektowane z myślą o maksymalnym wysiłku: sportowcy po amputacji na poziomie podudzia, którzy używają protez z włókna węglowego, osiągają znakomite czasy w biegach na krótkich dystansach. Odbywały się nawet poważne dyskusje na temat tego, czy ogromna siła sprężystości tych konstrukcji z włókna węglowego daje sportowcom po amputacjach przewagę nad "normalnymi" biegaczami.

Protezy sportowe są przeznaczone do szybkiego biegania, ale stanie w nich w miejscu i wykonywanie normalnych czynności podczas ich noszenia jest trudne, a wręcz niemożliwe. Protezy przegubu skokowego przeznaczone do codziennego użytku mają zatem zupełnie inną konstrukcję niż łukowate "płozy" używane w sporcie wyczynowym. Najczęściej – odzwierciedlając naturalną anatomię – składają się one z elementu podudziowego i elementu stopy, połączonych ze sobą za pomocą przegubu. Pasywny, sztuczny staw skokowy zapewnia, że proteza zawsze pozostaje w przewidywalnej pozycji, pozwalając jednak na bardzo ograniczony zakres ruchu w razie lokomocji.

Podczas przekolebowania się stopy – w trakcie ruchu do przodu – ta jest dociskana w kierunku podudzia. Po wybiciu stopy siła sprężystości przywraca ją do zbliżonej do prostopadłej stałej pozycji wyjściowej.

"Taka stała pozycja nie odpowiada jednak naturalnej pozycji stopy w fazie przenoszenia. Istnieje więc ryzyko, że czubek protezy stopy zahaczy o podłoże lub drobne przeszkody", mówi Marcin Dziemianowicz.

Ten koncentrujący się na biomechanice inżynier w 2016 r. założył Design Pro Technology w Białymstoku, aby znajdować innowacyjne rozwiązania podobnych problemów. Dzięki interdyscyplinarnemu zespołowi składającemu się z inżynierów, techników ortopedów, lekarzy i projektantów, zajmująca się technologią medyczną firma opracowuje i produkuje indywidualne ortopedyczne środki pomocnicze, które wykorzystują najnowsze technologie.

Aktywne zgięcie grzbietowe zmniejsza ryzyko potknięcia się

Nowy produkt firmy Design Pro Technology to D-Ankle – pierwsza proteza przegubu skokowego, która podczas chodzenia aktywnie porusza stopą za pomocą silnika i przy każdym kroku utrzymuje ją w anatomicznie naturalnej pozycji. W tym przypadku kluczowe znaczenie ma tzw. zgięcie grzbietowe. Jest to zgięcie stopy w kierunku kości piszczelowej podczas fazy wymachu.

"Zwiększenie odległości między czubkiem palca a podłożem zmniejsza ryzyko potknięcia się", wyjaśnia Marcin Dziemianowicz. "W przypadku pasywnej protezy użytkownik osiąga ten cel, wykonując ruch okrężny biodrem lub podnosząc nogę wyżej. Podczas korzystania z D-Ankle te ruchy kompensacyjne są zbędne, a chodzenie staje się bardziej naturalne i mniej męczące".

Kiedy stopa protetyczna zostaje postawiona na podłożu, jej układ mechaniczny wykonuje naturalną zmianę kąta podczas fazy podporowej. D-Ankle jest jedyną protezą z aktywną funkcją ruchu przekolebowania się od pięty do palców, pozwalającą na odepchnięcie się od ziemi w celu wykonania następnego kroku. W tym celu aktywowane jest zgięcie podeszwowe napędzane silnikiem, czyli rozciąganie w stawie. Przyczynia się to również do harmonijnego chodu i oszczędza energię. Chociaż sztuczny staw zawiasowy nie jest w stanie wykonywać ruchów bocznych, na które pozwala naturalny staw skokowy, są one możliwe do uzyskania w formie biernego odkształcenia dzięki elastycznemu materiałowi protezy stopy – włókna węglowego. W rezultacie podeszwa stopy osiąga pełny kontakt z podłożem nawet na nierównych powierzchniach.

Sterownik odnajduje rytm chodu

Zintegrowany kontroler protezy odbiera sygnały z kilku czujników w celu rozróżnienia różnych faz cyklu kroku. Potencjometr mierzy kąt między stopą a podudziem; dwustronny czujnik nacisku mierzy obciążenie przy początkowym kontakcie stopy, a także odciążenie w fazie przenoszenia. Zespół akcelerometru wykrywa ogólny ruch, w tym prędkość, pochylenie stopy i nachylenie ścieżki.

"Algorytm łączy sygnały z kilku ostatnich kroków i ocenia je", mówi Marcin Dziemianowicz, wyjaśniając zasadę działania urządzenia. "Na podstawie tych danych określa rytm chodu i optymalną pozycję stopy dla każdej fazy cyklu kroku. Np. przegub skokowy jest bardziej zgięty podczas wchodzenia pod górę niż podczas chodzenia po równej powierzchni, a dodatkowo zwiększa się siła wybicia, aby ułatwić pokonywanie wzniesienia. Na pochyłościach w dół jest odwrotnie, dzięki czemu da się uzyskać najlepszy możliwy kontakt podeszwy z podłożem. Co więcej, za pomocą aplikacji na smartfonie można dostosowywać parametry takie jak siła wybicia stopy, czułość czujnika nacisku lub długość fazy cyklu kroku.

Sportowy napęd o znakomitej wytrzymałości

Zintegrowany napęd zapewnia, że sygnały sterujące są przekształcane w odpowiedni ruch. Jego serce stanowi bezszczotkowy silnik serii BP4 firmy FAULHABER, którego moc przenoszona jest na śrubę pociągową. Silnik i śruba pociągowa obracają się w obu kierunkach, co pozwala uzyskać aktywne zgięcie grzbietowe i podeszwowe stopy. Wysoka wydajność energetyczna napędu pozwala na dwanaście godzin pracy na jednym ładowaniu akumulatora. Silnik toleruje również znaczną emisję ciepła, która może wystąpić podczas codziennej pracy.

"Nasze cele były w sumie dość sportowe", wspomina Marcin Dziemianowicz. "Silnik miał być w stanie naśladować ruch joggingu – z trzema krokami na sekundę lub trzema pełnymi cyklami zgięcia grzbietowego i podeszwowego. Co więcej, możliwe miały być szybkie zmiany tempa i kierunku. W tym zastosowaniu wymagane są bardzo duża prędkość i wysoki moment obrotowy w możliwie najmniejszej objętości i przy najniższej możliwej masie. Wypróbowaliśmy różne rozwiązania napędowe od wiodących producentów silników. Dzięki firmie FAULHABER nie tylko znaleźliśmy najbardziej odpowiedni produkt, ale także otrzymaliśmy doskonałe wsparcie techniczne".

Po szeroko zakrojonych i udanych testach z udziałem osób po amputacji, proteza stopy została wprowadzona na rynek pod koniec 2023 r. Jej standardowy adapter umożliwia przymocowanie jej do modularnego trzpienia dowolnej protezy. Indywidualne ustawienie jest przeprowadzane przez technika ortopedę. Wysokość pięty można dostosować, dzięki czemu D-Ankle da się nosić również w damskich butach na obcasie. Jeśli zaś po bardzo długim dniu poziom naładowania akumulatora okaże się niewystarczający, użytkownik może kontynuować chodzenie tak, jak ma to miejsce w przypadku pasywnej protezy.

"Dzięki aktywnemu ruchowi stopy robimy, całkiem dosłownie, ogromne kroki zarówno w kierunku naturalnej anatomii ruchu, jak i doskonalszego sposobu wspierania osób po amputacjach", mówi zadowolony Marcin Dziemianowicz. "Po doświadczeniach z tym produktem i dzięki świetnej współpracy z firmą FAULHABER, mamy wiele pomysłów na wykorzystanie kompaktowej mocy silnika w innych protezach".

FAULHABER
www.faulhaber.com