Gå naturligt med artificiell fot

Naturlig gång trots amputation

Den nyutvecklade D-ankelprotesen från Design Pro Technology gör det möjligt.

Istället för den vanliga passiva fjädringen av fotens komponenter assisterar denna protes användaren med hjälp av motorkraft. Precis som vid naturlig gång, böjs den konstgjorda fot aktivt upp och ner i varje steg. Det gör att gången blir mer harmonisk, stabil och mindre ansträngande. En intelligent styrenhet hittar rätt gångrytm och en borstlös motor från FAULHABER ger den nödvändiga framdrivningen.

Att en människa förlorar ett ben eller en nedre extremitet kan bero på många saker. Bland yngre personer rör det sig oftast om en medfödd skada eller en olycka. Bland är det är vanligare med cancer, infektioner och kroniska cirkulationsstörningar, som ofta utlösas av diabetes.

Miljontals människor är drabbade över hela världen, oftast genom förlust av underbenet. Från arkeologiska fynd i Egypten och Kina vet man att försök till att ersätta saknade kroppsdelar med proteser gjordes redan för 3000 år sedan. Det stereotypa träbenet från piratfilmer ger en verklighetstrogen bild av hur benproteser såg ut förr. De var gjorda av trä och läder, var i sig styva och gav sina bärare en haltande gång.

Från piratben till högteknologisk ortopedisk apparat
De konventionella proteserna kan knappast jämföras med dagens moderna varianter med leder, styrande algoritmer och fjäderbelastade element, gjorda av högteknologiska material. Med hjälp av dessa blir gångmönstret mycket naturligt. Vissa är till och med designade för maximal prestation: idrottare med en underbensamputation som använder kolfiberproteser uppnår enastående tider på korta sträckor. Det har till och med varit allvarliga diskussioner om huruvida den enorma fjäderkraften i dessa kolfiberkonstruktioner ger de amputerade idrottarna fördel gentemot "normala" löpare.Sportproteser är utformade för snabb löpning, men att stå stilla och utföra normala aktiviteter med dem är svårt, för att inte säga omöjligt.

Ankelledsproteser är däremot avsedda för dagligt bruk och har därför en helt annan design än de välvda ”medar” som används i tävlingssporter. För att återspegla den naturliga anatomin består de vanligtvis av en underbenskomponent och en fotkomponent, sammankopplade av en led. Den passiva konstgjorda fotleden ser till att protesen alltid förblir i ett förutsägbart läge, men tillåter ett mycket begränsat rörelseomfång under förflyttning.

Under framåtrörelsen pressas foten mot underbenet samtidigt som den rör sig bakåt; när fotensedan är helt utsparkad återför den elastiska kraften foten till en nästan vinkelrät fast startposition. "Den fasta positionen är inte förenligt med fotens naturliga position under förflyttningsfasen. Det finns en risk av att spetsen av fotprotesen fastnar på marken eller på små hinder", säger Marcin Dziemianowicz. ingenjör, vars fokus ligger på biomekanik, och grundade Design Pro Technology i Białystok (Polen) 2016 för att hitta innovativa lösningar på sådana problem. Med ett tvärvetenskapligt team bestående av ingenjörer, ortopedtekniker, läkare och designers utvecklar och tillverkar medicinteknikföretaget ortopediska hjälpmedel som innehåller den allra senaste tekniken.

Dorsalflexion minskar risken att snubbla
Med sin nya produkt D-Ankle har Design Pro Technology skapat den första fotledsprotesen som aktivt rör foten med hjälp av en motor vid gång och som håller foten i ett anatomiskt naturligt läge under rörelseförloppet för varje steg. Här sker så kallad dorsal flexion – fotens böjning mot skenbenet – under vinklingsfasen, vilket är av avgörande betydelse. "Ökat avstånd mellan tåspets och marken minskar risken för att snubbla", förklarar Marcin Dziemianowicz. "Med en passiv protes kan bäraren uppnå detta genom att göra en cirkulär rörelse med höften eller genom att lyfta benet högre. Sådana kompenserande rörelser är onödiga med D-Ankle; att gå blir mer naturligt och mindre ansträngande."

När fotprotesen sätts ner mot marken utför mekaniken den naturliga vinkelförändringen under stödfasen. D-Ankle är den enda protesen med aktiv häl-till-tå rekylfunktion, som inkluderar avstampet från marken för nästa steg. Här aktiveras den motordrivna plantarflexionen, d.v.s. stretching i leden. Det bidrar samtidigt till en harmonisk gång och sparar energi. Även om den konstgjorda gångjärnsleden inte kan utföra de sidorörelser som en naturlig fotled kan möjliggörs passiv deformation genom det elastiska materialet i fotprotesen – kolfiber. Som ett resultat uppnår foten full sulkontakt även på ojämna ytor.

Styrenheten känner av gångrytmen
Den integrerade styrenheten i protesen tar emot signaler från flera sensorer, som känner av de olika faserna i en stegcykel. En potentiometer mäter vinkeln mellan foten och underben; en bilateral trycksensor mäter belastning vid första kontakt med foten samt avlastning i överföringsfasen. Accelerometerenheten känner av den övergripande rörelsen inklusive hastighet, fotlutning och väggradient.

"Algoritmen slår samman signalerna från några av de senaste stegen och utvärderar dem", säger Marcin Dziemianowicz, förklarar driftsprincipen. "Från datan härleds gångrytmen och optimal fotposition för varje stegfas. Till exempel böjs fotleden mer när man går uppför än när man går på ett plant underlag, och även startkraften ökas för att göra det lättare att gå uppför. I nedförsbackar är det tvärtom så att bästa möjliga kontakt mellan sula och mark kan uppnås. Dessutom kan en smartphone-app användas för att justera parametrar som startkraft trycksensorns känslighet eller längden på en stegcykelfas."

Sportig körning med stor uthållighet
Den integrerade drivningen säkerställer att styrsignalerna omvandlas till rätt rörelse. Hjärtat är en borstlös motor i BP4-serien från FAULHABER, som överför kraft till en ledskruv. Motor och ledskruv roterar i båda riktningarna och uppnår därmed aktiv dorsal och plantarflexion av foten. Omriktarens höga energieffektivitet möjliggör en drifttid på 12 timmar på en batteriladdning. Motorn tolererar även den avsevärda värmeemission som kan uppstå i daglig drift.

"Våra mål var sammantaget överlag sportigt", minns Marcin Dziemianowicz. "Motorn skulle kunna emulera en joggingrörelse - med tre steg per sekund, eller tre kompletta cykler av rygg och plantarflexion, alltså att foten böjer sig neråt. Vidare skulle snabba förändringar i takt och riktning vara möjliga. För detta användningsområde krävs mycket hög hastighet och högt vridmoment i minsta möjliga volym och med lägsta möjliga vikt. Vi har provat olika drivlösningar från ledande motortillverkare. Med FAULHABER hittade vi inte bara mest lämpliga produkten, utan fick också enastående teknisk support."

Efter en omfattande testperiod med framgångsrika försök introducerades fotprotesen på marknaden i slutet av 2023. Stanardadaptern gör att den kan fästas på vilket modulärt protesskaft som helst. Individuell protesjustering utförs av ortopedtekniker. Hälens höjd kan varieras så att D-Ankle även kan bäras i damskor med klack. Skulle batteriladdningen inte räcka till efter en mycket lång dag kan bäraren fortsätta att gå som de skulle med en passiv protes.

"Med en aktiv rörelse av foten tar vi bokstavligen stora steg både mot naturlig rörelseanatomi och förbättrat stöd för amputerade", säger en nöjd Marcin Dziemianowicz. "Med våra erfarenheter av denna produkt och det fantastiska samarbetet med FAULHABER har vi nu ett antal idéer om hur man använder den kompakta motorkraften för andra proteser."

2024-10-01 - Industritorget