Voetprothese

Mensen kunnen om verschillende redenen een voet of onderbeen missen. Bij jongere mensen is het vaak een geboortebeperking of een ongeluk. Ouderen raken vaker ledematen kwijt door kanker, een infectie of een chronische aandoening van de circulatie, iets wat veel voorkomt bij suikerziekte. Miljoenen mensen worden hier wereldwijd door getroffen. Meestal gaat het om amputaties van het onderbeen. Uit archeologische vondsten in Egypte en China blijkt dat mensen al minstens 3000 jaar proberen om ontbrekende lichaamsdelen te vervangen door protheses. Hoewel we het houten been vooral kennen uit piratenfilms, was dit vroeger de realiteit voor mensen met beenprotheses. Ze waren gemaakt van hout en leer, en van nature stijf. Hierdoor kregen de dragers een hinkende tred.

Van houten been tot hightech orthopedische apparatuur

Het verschil tussen oude protheses en moderne oplossingen is enorm: de kunstmatige ledematen van nu hebben gewrichten, algoritmes die de beweging aansturen, geveerde componenten en hightech materiaal. Met behulp van dit soort moderne protheses kunnen patiënten veel natuurlijker lopen. Sommige kunstvoeten zijn zelfs ontworpen voor maximale prestaties: hardlopers die een carbonprothese gebruiken na een amputatie van hun onderbeen, zetten indrukwekkende tijden neer op de korte afstanden. Er zijn zelfs serieuze discussies of de enorme veerkracht van deze "blades" met carbonvezels een oneerlijk voordeel vormen voor hardlopers met een amputatie, ten opzichte van "normale" atleten.

Sportprostheses zijn echter specifiek ontworpen om hard te lopen. Het is niet makkelijk (of zelfs onmogelijk) om ermee stil te staan of normale dagelijkse activiteiten uit te voeren. Protheses met een enkelgewricht voor alledaags gebruik hebben daarom een compleet ander ontwerp dan blades voor de atletiek. Vaak bootsen ze de natuurlijke anatomie na, met een component voor het onderbeen en een component voor de voet, verbonden met een kunstgewricht. Deze passieve "kunstenkel" zorgt ervoor dat de prothese altijd een voorspelbare positie heeft, maar de bewegingsvrijheid tijdens het lopen is beperkt.

Wanneer de voet terugtrekt, tijdens de voorwaartse beweging, wordt hij in de richting van het onderbeen gedrukt. Na de stap brengt de veerkracht de voet weer terug in een vrijwel haakse uitgangspositie. "Deze vaste positie van de voet komt echter niet overeen met de natuurlijke positie van de voet tijdens deze overgangsfase. De teen van de kunstvoet kan daardoor snel op de grond of achter kleine obstakels blijven haken", vertelt Marcin Dziemianowicz. Dziemianowicz is een ingenieur met een focus op biomechanica. In 2016 heeft hij Design Pro Technology opgericht in het Poolse Białystok om innovatieve oplossingen te vinden voor dit soort problemen. Het medische technologiebedrijf werkt met een interdisciplinair team van ingenieurs, orthopedisch techneuten, artsen en ontwerpers en ontwikkelt en produceert individuele orthopedische hulpmiddelen met de allernieuwste technologie.

Als de kunstvoet wordt neergezet op de grond, voeren de mechanica de natuurlijke aanpassing van de hoek tussen de voet en het scheenbeen uit tijdens de ondersteunende fase van de stap. D-Ankle is de enige prothese met een actieve hiel-naar-teenvering, inclusief het afzetten tegen de grond voor de volgende stap. Hiervoor wordt de plantairflexie met motoraandrijving geactiveerd om de strekbeweging in het gewricht uit te voeren. Ook dit draagt bij aan een evenwichtige tred, en het bespaart kracht. Hoewel het kunstmatige enkelgewricht niet in staat is om de zijwaartse bewegingen van een natuurlijk enkelgewricht uit te voeren, staan de elastische koolstofvezels van de kunstvoet deze wel toe door passieve vervorming. Hierdoor maakt de volledige zool van de voet contact met de ondergrond, ook als deze ongelijkmatig is.

Controller detecteert ritme van de tred

De geïntegreerde controller van de prothese ontvangt signalen van verschillende sensoren, om onderscheid te maken tussen de verschillende fases van een stap. Een potentiometer meet de hoek tussen de voet en het onderbeen, en een bilaterale druksensor meet de belasting bij het eerste contact van de voet met de grond en het optillen van de voet in de overgangsfase. Een versnellingsmeter detecteert de complete beweging, inclusief de snelheid, de neigingshoek van de voet en de helling van de ondergrond.

Marcin Dziemianowicz licht de werking van de prothese toe: "Het algoritme voegt de signalen van de meest recente stappen samen en analyseert ze. Uit deze gegevens leidt het het ritme van de tred af, en de optimale voetpositie voor iedere fase van de stap. Het enkelgewricht buigt bijvoorbeeld meer als iemand een helling op loopt dan wanneer de ondergrond vlak is, en ook de kracht voor de afzet is groter om het makkelijker te maken om omhoog te lopen. Als de ondergrond afloopt, werkt dit principe andersom. Zo is het contact tussen de zool van de voet en de ondergrond altijd optimaal. Bovendien kan de patiënt met een app op een smartphone ook bepaalde parameters aanpassen, zoals de kracht voor de afzet, de gevoeligheid van de druksensor of de lengte van een fase in de stapcyclus.

De geïntegreerde aandrijving zorgt ervoor dat de signalen van de besturing worden omgezet in de juiste beweging. Het hart van de aandrijving is een borstelloze motor uit de BP4-serie van FAULHABER, waarvan de kracht wordt overgedragen op een spindel. De motor en spindel draaien in beide richtingen en leveren zo de actieve dorsaalflexie en plantairflexie van de voet. Door het uitstekende rendement van de aandrijving is de bedrijfsduur op één batterijlading 12 uur. De motor is ook bestand tegen de significante hoeveelheid warmte die bij alledaags gebruik kan ontstaan.

Marcin Dziemianowicz: "Onze doelstellingen waren behoorlijk sportief. De motor moest een joggende beweging kunnen nabootsen, met drie stappen per seconden – dus drie cycli van dorsaalflexie en plantairflexie. Bovendien moest hij ook snelle wijzigingen in tempo en richting ondersteunen. Voor deze toepassing heb je een extreem hoog koppel en een hoog toerental nodig, terwijl er maar heel weinig ruimte is. En de motor moet ook heel licht zijn. We hebben verschillende aandrijvingen getest van toonaangevende motorfabrikanten. Bij FAULHABER hebben we niet alleen het meest geschikte product gevonden, maar ook uitstekende technische ondersteuning."

Na uitgebreide en succesvolle tests met proefpersonen met een amputatie, wordt de voetprothese eind 2023 op de markt gebracht. Met een standaard adapter kan hij aan iedere modulaire prothesestam worden bevestigd. Een orthopedisch technicus voert de individuele protheseaanpassingen uit. De hoogte van de hiel is variabel, zodat de D-Ankle ook kan worden gedragen in schoenen met hakken. Mocht de batterij na een bijzonder lange dag leeg raken, dan kan de drager gewoon verder lopen: de prothese werkt dan als normale passieve prothese.

Marcin Dziemianowicz is tevreden: "Met de actieve beweging van de voet zetten we letterlijk een gigantische stap richting een natuurlijke bewegingsanatomie en betere ondersteuning van mensen die een ledemaat missen. Na onze ervaringen met dit product en de uitstekende samenwerking met FAULHABER hebben we diverse ideeën om de kracht van deze compacte motor ook voor andere prothesen in te zetten."