Gå naturligt med en kunstig fod
Naturlig gang trods amputation – den nyudviklede D-Ankle protese fra Design Pro Technology gør det muligt.
I stedet for den sædvanlige, passive affjedring i fodkomponenterne, hjælper protesen sin bruger ved hjælp af motorkraft. Ligesom ved naturlig gang bevæges den kunstige fod aktivt op og ned ved hvert skridt. Gangarten bliver mere harmonisk, mere stabil og mindre trættende. En intelligent kontroller finder den korrekte gangrytme, og en børsteløs motor fra FAULHABER leverer den nødvendige fremdrift.
Der kan være mange årsager til tabet af et ben eller en del af underbenet. For yngre mennesker er årsagen ofte en fødselsdefekt eller en ulykke. Hos ældre mennesker er det tit kræft, infektioner og kroniske kredsløbsforstyrrelser – den sidste ofte forårsaget af diabetes. Millioner af mennesker berøres på verdensplan, som regel ved tab af underbenet. Ud fra arkæologiske fund i Ægypten og Kina ved vi, at der er gjort forsøg på at erstatte manglende kropsdele med proteser i mindst 3.000 år. Det stereotype træben fra piratfilm viser realistisk, hvordan benproteser så ud i fortiden. De var lavet af træ og læder, var stive og gav deres bærer en haltende gang.
Fra piratens træben til en højteknologisk, ortopædisk enhed
Konventionelle proteser kan næppe sammenlignes med de moderne versioner, da de har led, kontrollerende algoritmer og fjederbelastede elementer, der er fremstillet af højteknologiske materialer. Med deres hjælp bliver gangmønstret meget mere naturligt. Nogle proteser er endog designet til maksimal ydelse: Atleter med amputation af underben, der bruger kulstofproteser, opnår imponerende tider ved sprintdistancer. Der har endda været seriøse diskussioner om, hvorvidt den enorme fjederkraft i disse kulfiberkonstruktioner giver amputerede atleter en fordel i forhold til "normale" løbere.
Sportsproteser bliver designet til hurtigt løb, mens det er vanskeligt – eller endog umuligt - at stå stille og udføre normale aktiviteter med dem. Ankelledsproteser, der er beregnet til daglig brug, har derfor et helt anderledes design end de buede skinner, der bruges i konkurrencesport. De afspejler normalt den naturlige anatomi og består af en underbenskomponent og en fodkomponent, forbundet med et led. Det passive, kunstige ankelled sikrer, at protesen altid forbliver i en forudsigelig position, men det tillader kun en meget begrænset bevægelsesfrihed under gang.
Når foden bøjer tilbage – under fremadgående bevægelse – presses foden mod underbenet; når foden strækkes ud, returnerer den elastiske kraft foden til en næsten vinkelret fast startposition. "Men denne faste position svarer ikke til fodens naturlige position under overgangsfasen. Der er risiko for, at protesens tåspids bliver fanget på jorden eller af små forhindringer," siger Marcin Dziemianowicz. Ingeniøren, som fokuserer på biomekanik, grundlagde Design Pro Technology i Białystok (Polen) i 2016 for at finde innovative løsninger på sådanne problemer. Med et tværfagligt team bestående af ingeniører, ortopædiske teknikere, læger og designere, udvikler og fremstiller virksomheden medicinsk teknologi - individuelle ortopædiske hjælpemidler, der inkorporerer den nyeste teknologi.
Aktiv dorsalfleksion for at mindske risikoen for at snuble
Med sit nye produkt, D-Ankle, har Design Pro Technology skabt den første ankelledsprotese, der aktivt bevæger foden med en motor under gang, og som holder foden i en anatomisk naturlig stilling under hvert skridt. Her er den såkaldte dorsalfleksion – bøjning af foden mod skinnebenet – under svingfasen – af afgørende betydning.
”Ved at forøge afstanden mellem tåspidsen og jorden formindskes risikoen for at snuble,” forklarer Marcin Dziemianowicz.
”Med en passiv protese opnår brugeren dette ved at foretage en cirkulær bevægelse med deres hofte eller ved at løfte deres ben højere. De kompenserende bevægelser er ikke nødvendige med D-Ankle – at gå bliver mere naturligt og mindre trættende.”
Når den kunstige fod sættes ned på jorden, udfører dens mekanik den naturlige ændring i vinkel under støttefasen. D-Ankle er den eneste protese med aktiv hæl-til-tå-bøjningsfunktion, inklusive afsætning fra jorden til næste skridt. Her aktiveres den motorstyrede plantar-fleksion, dvs. strækning i leddet. Det bidrager også til en harmonisk gang og sparer energi. Selvom det kunstige hængsel ikke kan udføre de laterale bevægelser, som et naturligt ankelled tillader, bliver disse mulige som passiv deformation gennem det elastiske materiale i protesefoden – der er kulfiber. Som resultat opnår foden fuld kontakt med sålen, selv på ujævne overflader.
Kontrolleren registrerer gangrytmen
Protesens integrerede kontroller modtager signaler fra flere sensorer for at kunne skelne mellem de forskellige faser i et skridt. Et potentiometer måler vinklen mellem fod og underben, en bilateral tryksensor måler belastningen ved den første kontakt med foden samt aflastningen i overgangsfasen. Accelerometerenheden registrerer den samlede bevægelse, inklusive hastighed, fodens hældning og vejens stigning.
"Algoritmen samler signalerne fra de seneste skridt og evaluerer dem," siger Marcin Dziemianowicz og forklarer driftsprincippet.
"Fra disse data udleder den gangrytmen og den optimale fodposition for hver skridtfase. For eksempel bøjes ankelleddet mere, når man går op ad bakke end på fladt underlag, og afsætningskraften øges også for at gøre det lettere at gå op ad bakke. På nedadgående skråninger er det omvendt, så den bedst mulige kontakt mellem sålen og jorden opnås. Derudover kan man ved hjælp af en smartphone-app justere parametre som afsætningskraft, tryksensorens følsomhed eller længden af en skridtcyklusfase."
Sporty drev med stor udholdenhed
Det integrerede drev sikrer, at styresignalerne omdannes til passende bevægelse. Kernen er en børsteløs motor i BP4-serien fra FAULHABER, hvis kraft overføres til en spindel. Motor og spindel roterer i begge retninger og opnår således aktiv dorsalfleksion og plantar-fleksion af foden.
Drevet har en høj energieffektivitet, hvilket muliggør en driftstid på 12 timer på én opladning. Motoren tåler også den betydelige varmeafgivelse, der kan opstå i daglig brug.
"Vort mål var alt i alt ret sporty," husker Marcin Dziemianowicz.
"Motoren skulle kunne efterligne en joggingbevægelse – med tre skridt i sekundet eller tre komplette cyklusser af dorsal- og plantar-fleksion. Derudover skulle hurtige ændringer i tempo og retning være mulige. Til denne applikation har du brug for meget høj hastighed og højt drejningsmoment i det mindst mulige volumen og med den lavest mulige vægt. Vi prøvede forskellige drivløsninger fra førende motorproducenter. Med FAULHABER fandt vi ikke kun det mest egnede produkt, men modtog også fremragende teknisk support."
Efter omfattende og succesfulde forsøg med amputerede, blev fodprotesen introduceret på markedet i slutningen af 2023. Dens standardadapter gør det muligt at fastgøre den til enhver modulær protesestamme. Individuel justering af protesen udføres af en ortopædisk tekniker. Hælens højde kan varieres, så D-Ankle også kan bæres i damesko med hæl. Skulle batteriopladningen ikke være nok efter en meget lang dag, kan brugeren fortsætte med at gå, som de ville med en passiv protese.
"Med aktiv bevægelse af foden tager vi bogstaveligt talt store skridt mod både naturlig bevægelsesanatomi og bedre støtte til amputerede," siger en tilfreds Marcin Dziemianowicz.
"Efter erfaringerne med dette produkt og det gode samarbejde med FAULHABER har vi en række ideer til, hvordan vi kan udnytte den kompakte motorkraft til andre proteser."
