Luonnollinen kävely käytettäessä tekojalkaa
Luonnollinen kävely amputoinnista huolimatta. Design Pro Technologyn hiljattain kehittämä D-Ankle-proteesi tekee siitä mahdollista.
Jalkaterän komponentit joustavat tavallisesti passiivisesti. Proteesi sen sijaan avustaa käyttäjäänsä moottorivoiman avulla. Samalla tavalla kuin luonnollisessa kävelyssä, tekojalka taipuu jokaisella askeleella aktiivisesti ylös- ja alaspäin. Kävelystä tulee harmonisempaa ja vakaampaa ja se väsyttää vähemmän. Älykäs ohjain löytää oikean kävelyrytmin, ja FAULHABERin harjaton moottori huolehtii vaadittavasta liikkeestä.
Jalan tai alaraajan osan menetys voi johtua monista syistä. Nuoremmilla ihmisillä syy on yleensä synnynnäinen poikkeavuus tai onnettomuus. Iäkkäillä ihmisillä kyse on useammin syövästä, infektiosta tai kroonisista verenkiertohäiriöistä; tämä jälkimmäinen johtuu usein diabeteksesta. Maailmanlaajuisesti miljoonat ihmiset kärsivät jalan menetyksestä. Useimmiten tämä tarkoittaa jalan alempien osien menetystä. Egyptistä ja Kiinasta tehdyistä arkeologisista löydöistä tiedämme, että puuttuvia ruumiinosia on yritetty korvata proteeseilla jo ainakin 3000 vuoden ajan. Merirosvoelokuvien stereotyyppinen puujalka antaa realistisen kuvan siitä, miltä jalkaproteesit näyttivät menneisyydessä. Ne oli tehty puusta ja nahasta ja ne olivat luonnostaan jäykkiä. Tästä syystä niiden käyttäjät kävelivät ontuen.
Merirosvon puujalasta huipputeknologiseen ortopediseen laitteeseen
Perinteisiä proteeseja voi tuskin verrata nykyaikaisiin proteeseihin, joissa käytetään niveliä, ohjausalgoritmeja ja huipputeknisistä materiaaleista valmistettuja jousikuormitettuja elementtejä. Näiden ansiosta kävelystä tulee paljon luonnollisempaa. Jotkin niistä on jopa suunniteltu suorituskyvyn maksimointia silmällä pitäen: urheilijat, joiden alaraaja on amputoitu ja jotka käyttävät hiilikuidusta valmistettuja proteeseja, ovat saavuttaneet juoksussa erinomaisia aikoja lyhyillä matkoilla. On jopa syntynyt vakavaa keskusteltua siitä, antaako näiden hiilikuiturakenteiden valtava jousivoima amputoiduille urheilijoille etua ”tavallisiin” juoksijoihin verrattuna.
Urheiluproteesit on suunniteltu nopeaa juoksua varten, mutta paikallaan seisominen ja normaalien toimintojen suorittaminen niitä käytettäessä on vaikeaa tai jopa mahdotonta. Jokapäiväiseen käyttöön tarkoitetut nivelletyt nilkkaproteesit ovat siis rakenteeltaan täysin erilaisia kuin kilpaurheilussa käytettävät kaarevat ”luistimet”. Yleensä ne noudattavat luonnollista anatomiaa ja koostuvat sääriosasta ja jalkaosasta, jotka on liitetty toisiinsa nivelellä. Passiivinen tekonilkkanivel varmistaa, että proteesi pysyy aina halutussa asennossa, mutta sen liikealue rajoittaa jalan liikettä.
Kun jalkaterä palautuu eteenpäin suuntautuvan liikkeen aikana, jalkaterä painuu kohti säärtä; toisessa ääripäässään elastinen voima palauttaa jalkaterän lähes kohtisuoraan kiinteään lähtöasentoon. ”Tämä kiinteä asento ei kuitenkaan vastaa jalkaterän luonnollista asentoa siirtymävaiheessa. Tässä on se vaara, että jalkaproteesin kärki ottaa kiinni maahan tai pieniinkin epätasaisuuksiin”, Marcin Dziemianowicz sanoo. Biomekaniikkaan keskittynyt insinööri perusti Design Pro Technologyn Białystokiin (Puola) vuonna 2016 löytääkseen innovatiivisia ratkaisuja tällaisiin ongelmiin. Insinööreistä, ortopediteknikoista, lääkäreistä ja suunnittelijoista koostuvan monialaisen tiimin avulla lääketieteellisen teknologian yritys kehittää ja valmistaa yksilöllisiä ortopedisiä apuvälineitä, joissa käytetään uusinta teknologiaa.
Aktiivinen dorsaalinen fleksio vähentää kompastumisriskiä
Design Pro Technologyn uusi tuote D-Ankle on ensimmäisen nilkkanivelproteesi, joka liikuttaa jalkaterää aktiivisesti moottorin avulla kävelyn aikana ja pitää jalkaterän anatomisesti luonnollisessa asennossa jokaisen askeleen aikana. Tässä niin sanottu dorsaalifleksio – jalkaterän taipuminen sääriluuta kohti – on ratkaisevan tärkeää heilahdusvaiheen aikana. ”Varpaan kärjen ja maan välisen etäisyyden kasvattaminen pienentää kompastumisriskiä”, selittää Marcin Dziemianowicz. ”Passiivisen proteesin käyttäjä saa tämän aikaan tekemällä ympyränmuotoisen liikkeen lantiollaan tai nostamalla jalkaansa korkeammalle. Nämä korvaavat liikkeet ovat tarpeettomia D-nilkan kanssa; kävelystä tulee luonnollisempaa ja vähemmän väsyttävää.”
Kun proteesijalka asetetaan maahan, sen mekaniikka suorittaa luonnollisen kulmamuutoksen tukivaiheen aikana. D-Ankle on ainoa proteesi, jossa on aktiivinen palautustoiminto kantapäästä varpaaseen, mukaan lukien maasta ponnistaminen seuraavaa askelta varten. Tällöin aktivoidaan motorisesti ohjattu plantaarifleksio eli nivelen venytys. Se myös edistää harmonista kävelytyyliä ja säästää energiaa. Vaikka keinotekoinen nivel ei pystykään suorittamaan luonnollisen nilkkanivelen sallimia sivuttaisliikkeitä, proteesin jalkaosan elastisen materiaalin – hiilikuidun – passiiviset muodonmuutokset tekevät niistä mahdollisia. Tämän ansiosta koko jalkapohja ottaa maahan myös epätasaisilla pinnoilla.
Ohjain tunnistaa kävelyrytmin
Proteesiin integroitu ohjain saa signaaleja useilta antureilta voidakseen erottaa askelsyklin eri vaiheet toisistaan. Potentiometri mittaa jalkaterän ja säären välistä kulmaa; bilateraalinen paineanturi mittaa kuormitusta jalkaterän alkukosketuksessa sekä kuormituksen purkautumista siirtymisvaiheessa. Kiihtyvyysmittariyksikkö tunnistaa kokonaisliikkeen, mukaan lukien nopeuden, jalkojen kallistuksen sekä kävelyalustan kaltevuuden.
”Algoritmi yhdistää muutaman viimeisimmän vaiheen signaalit ja evaluoi ne”, Marcin Dziemianowicz selittää toimintaperiaatetta. ”Näistä tiedoista se päättelee kävelyrytmin ja optimaalisen jalan asennon kuhunkin askelvaiheeseen. Esimerkiksi nilkkanivel taipuu enemmän ylämäkeen kävellessä kuin tasaisella pinnalla kävellessä, ja myös nousuvoimaa kasvatetaan, jotta ylämäkeen kävely olisi helpompaa. Kun kallistus on alaspäin, nilkan ohjaus on päinvastainen, jotta jalkapohjan ja maan välinen kontakti olisi mahdollisimman hyvä. Lisäksi älypuhelinsovelluksella voidaan säätää parametreja, esimeriksi nousuvoimaa, paineanturin herkkyyttä ja askelsyklin vaiheen pituutta.”
Urheilullinen sähkömoottorikäyttö ja hyvä kestävyys
Integroitu sähkömoottorikäyttö varmistaa, että ohjaussignaalit muunnetaan sopivaksi liikkeeksi. Tämän ytimessä on FAULHABER BP4-sarjan harjaton moottori, jonka teho siirretään kuularuuviin. Moottori ja kuularuuvi pyörivät molempiin suuntiin ja saavat näin aikaan jalkaterän aktiivisen dorsaali- ja plantaarifleksion. Sähkömoottorikäytön korkea energiatehokkuus mahdollistaa 12 tunnin käyttöajan yhdellä akun latauksella. Moottori kestää myös huomattavan määrän lämpösäteilyä, jota voi esiintyä jokapäiväisessä käytössä.
”Tavoitteemme olivat kaiken kaikkiaan varsin urheilulliset”, Marcin Dziemianowicz muistelee. ”Moottorin piti pystyä jäljittelemään hölkkäliikettä – kolme askelta sekunnissa tai kolme kokonaista dorsaali- ja plantaarifleksiosta muodostuvaa sykliä. Lisäksi nopeiden tahdin- ja suunnanmuutosten piti olla mahdollisia. Tällaisissa sovelluksessa tarvitaan erittäin korkeaa nopeutta ja korkeaa vääntömomenttia mahdollisimman pienessä tilassa ja mahdollisimman kevyesti. Kokeilimme erilaisia ratkaisuja sähkömoottorikäyttöihin johtavilta moottorivalmistajilta. FAULHABER ei ainoastaan tarjonnut sopivinta tuotetta, vaan myös erinomaisen teknisen tuen.”
Kattaviin ja menestyksekkäisiin kokeisiin ja testeihin osallistui amputoituja henkilöitä ja testauksen jälkeen jalkateräproteesi tuotiin markkinoille vuoden 2023 lopussa. Standardiadapterin ansiosta se voidaan kiinnittää mihin tahansa modulaariseen proteesivarteen. Yksilöllisen proteesin säädön suorittaa ortopediteknikko. Kantapään korkeutta voidaan säätää, joten D-Anklea voidaan käyttää myös naisten korkokenkien kanssa. Jos akun varaus ei riitä pitkän päivän jälkeen, käyttäjä voi jatkaa kävelyä kuten passiivisen proteesin kanssa.
”Jalkaterän aktiivisen liikkeen avulla otamme kirjaimellisesti valtavia askelia kohti luonnollista liikeanatomiaa ja amputoitujen parempaa tukemista”, iloitsee Marcin Dziemianowicz. ”Tästä tuotteesta saatujen kokemusten ja FAULHABERin kanssa tehdyn loistavan yhteistyön jälkeen meillä on lukuisia ideoita siitä, miten voimme hyödyntää kompaktin moottorin tehoa muissakin proteeseissa.”
