Generation Bionic Sportsmen – искусственные конечности за равенство

Как для красоты, так и для функциональности замена отсутствующей части тела протезом (от греческого прикрепление ) всегда была необходимостью. Нынешняя технология вышла за рамки простой механической замены конечности, возвысив ее до биомеханической, благодаря внедрению миоэлектрических датчиков для активации протеза посредством мышечной активности. Здесь мы сосредоточимся на материалах, из которых состоит протез, в частности, предназначенных для занятий спортом, а не на электронике.

Эволюция протезов

Когда-то ампутация была единственным методом лечения любого серьезного ранения конечности. Однако замена отсутствующей конечности была редкостью и предназначалась только дворянам. Первый задокументированный протез был обнаружен в Египте. Там находится мумия, датируемая примерно 950 г. до н.э. у дворянки был найден протез пальца ноги из дерева и кожи, а также резной ноготь на ноге как копия недостающей части (рис. 1) [1].

<рисунок>

Рисунок 1. Эстетический палец 959 г. до н.э. обнаружен в Египте [2].

В средние века протезы стали более функциональными (рис. 2). Мужчинам, потерявшим руки во время сражений, заменяли конечность железным устройством с элементами, которые позволяли им ставить щит во время сражений. Тем временем на кораблях морякам заменяли предплечья на знаменитый крюк, а ноги — на деревянные палки — оба материала легко доступны на борту.

<рисунок>

Рис. 2. Железный протез руки средневековья [1].

Первый функциональный протез был изобретен французским хирургом Амбруазом Паре в 16 веке. Протез включал в себя сгибающееся колено, которое можно было заблокировать в положении стоя, и руки, которые позволяли французским капитанам на лошадях сжимать и отпускать поводья [3]. В 17 веке голландский хирург Питер Вердуйн включил в свой протез суставы, а также лучшее крепление к ноге. Позже протез включал пружины для имитации мышц и сухожилий. В 1990-х годах микропроцессоры были введены для управления движением колена протеза , а датчики зафиксировали электромиографический стимул, вызывающий перемещение протеза (рис. 3) [3].

<рисунок>

Рис. 3. Эволюция трансфеморальных протезов в годы [3].

Три основных компонента

Протез может заменить четыре разные части тела названы в связи с их расположением:трансплечевой, трансрадиальный, транстибиальный и трансфеморальный. Независимо от их применения и размещения протезы должны быть легкими, чтобы облегчить их использование (было бы нецелесообразно иметь искусственную конечность, весящую как оригинал, т.е. 10% и 30-40% веса тела для двух рук и две ноги соответственно).

Протез состоит из трех основных компонентов (подвеска, пилон и гильза), которые, как правило, остаются одинаковыми для разных типов протезов (эстетических или функциональных) и расположения [4].

Сокет часть протеза, которая крепится к культе. Для обеспечения комфорта пользователя и общей эффективности протеза важно, чтобы гильза не раздражала кожу культи и могла передавать удар или усилие. Розетка обычно изготавливается из полипропилена, заменяя использовавшуюся ранее шерсть.

Приостановка является соединением между пилоном и гнездом. Это жизненно важно для того, чтобы пилон оставался прикрепленным к культе, и обычно для создания вакуума и удержания двух частей используется метод всасывания.

Пилон является сердцевиной протеза. Как правило, его создают из титана или углеродных волокон (более упругих, легких и прочных, чем сталь), заменяющих древесину, которая использовалась в прошлом. Пилон часто обтянут мягким материалом, подходящим по цвету к натуральной коже.

Протезы в спорте

После Второй мировой войны участие людей с ампутированными конечностями в спортивных мероприятиях стало для них возможностью вернуться к нормальной жизни, повысив их благополучие и чувство социальной включенности. Поэтому после замены отсутствующей конечности был сделан дальнейший шаг в направлении оптимизации протеза для использования в спорте.

Эта разработка в основном известна бегом. В 1980-х годах одним из первых протезов, созданных для более интенсивной физической активности, была Сиэтлская стопа (рис. 4). Внутренний гибкий делриновый (кристаллический пластик с характеристиками между металлами и пластиками) киль, окруженный полиуретановой оболочкой, действовал как пружина, возвращая часть энергии [5].

<рисунок>

Рисунок 4. Разрез Сиэтлской стопы [6].

Используя Flex-Foot (рис. 5) и Re-Flex VSP, людям с ампутированными конечностями удалось достичь более энергоэффективного бега. Внедрение углеродных волокон фактически позволило больше бегать на носках, что характерно для обычных бегунов [7]. В частности, Flex-Foot показал самый высокий коэффициент возврата энергии по сравнению с другими протезами, изготовленными из полиуретана или полиацеталя [5].

<рисунок>

Рисунок 5. Протез Flex-Foot [8].

Недавно имя южноафриканца Оскара Писториуса попало в заголовки газет, став первым спортсменом с двумя ампутированными конечностями, принявшим участие в Олимпийских играх, и положившим начало дебатам о технологическом допинге (рис. 6). Спринтер использовал Cheetahs , изобретенный инженером-медиком Ван Филлипсом. Их форма рассчитана на движение вперед, поэтому в комплект не входит каблук.

По словам Джоша МакХью [9], «гепарды, кажется, подпрыгивают сами по себе. На них невозможно стоять на месте, и трудно двигаться медленно. Как только они начинают действовать, гепардов чрезвычайно трудно контролировать». Причина кроется в том, что Cheetahs сделаны из полимера, армированного углеродным волокном (например, полиэстера, эпоксидной смолы или нейлона, связывающего углеродное волокно). В зависимости от направления и плотности волокон могут быть заданы различные уровни жесткости.

Углеродное волокно работает как пружина, накапливая и высвобождая кинетическую энергию спортсмена при каждом шаге. В частности, отношение механической работы в голеностопном суставе между отрицательной и положительной фазами составляет 0,907 у гепардов по сравнению с 0,401 у здоровых спортсменов [7].

Механическая работа в колене была в 11 и 8 раз выше в отрицательной и положительной фазах соответственно у гепардов, чем у способных спортсменов [7]. Из-за повышенных упругих свойств протеза паралимпийские прыгуны в длину используют протез ноги для отрыва во время прыжка.

<рисунок>

Рис. 6. Оскар Писториус на старте с протезом Cheetah [10].

Во время бега атлеты с трансфеморальными ампутированными конечностями имеют больше недостатков чем транстибиальные. Основная причина заключается в том, что коленный сустав сложно воспроизвести механически из-за его высокой сложности. Бег трансфеморальных спортсменов характеризуется асимметрией до 36% в фазе маха между способной и неспособной стороной [11]. Поэтому были предложены различные решения для решения проблемы инерции, влияющей на ускорение протеза во время фазы восстановления.

Не только бег

Эволюция протезов для спорта не ограничивается миром бега. Обычно протезы нижних конечностей используются в тех видах спорта, где требуется вертикальное положение, например при катании на лыжах, а протезы верхних конечностей используются в таких видах спорта, как гребля или езда на велосипеде. В последнем важны движение и устойчивость, обеспечиваемые руками. Для многих видов спорта адаптация протеза для занятия им не требуется, но в большинстве случаев необходима [11].

В езде на велосипеде , протезу верхней конечности нужно дать возможность сломаться и поменять шестерни. Стандартного механизма открывания/закрывания должно быть достаточно. Однако для соревновательного велоспорта протез также должен гарантировать спортсмену возможность менять свое положение на рукоятке [11]. При катании на горных велосипедах амортизатор может уменьшить вибрации от езды, которые передаются на рукоятку (рис. 7).

Для нижних конечностей — стопы, накапливающие энергию, которые полезны при ходьбе и беге. являются недостатком в езде на велосипеде, не допуская надлежащего движения из-за своей эластичности [11]. Как правило, для обеспечения тяги достаточно обычного протеза нижней части тела. Тем не менее, необходимо учитывать некоторые приспособления, такие как более широкая педаль и изгибы для фиксации протеза на педали.

<рисунок>

Рис. 7. Адаптация поршня протеза верхней части тела для езды на горном велосипеде [12].

Люди с односторонней ампутацией верхних и нижних конечностей обычно могут плавать без проблем, если протезы являются водонепроницаемыми. Однако для повышения их эффективности ласты часто прикрепляют непосредственно к впадине здоровой конечности (рис. 8) и на той же длине здоровой конечности [11].

<рисунок>

Рис. 8. Адаптация плавника к плаванию [12].

Кроме того, Bartlett Tendon Universal Knee и XT9 — это протезы, используемые в экстремальных видах спорта, от катания на лыжах до сноуборда. и мотоцикл . Оба протеза были изобретены спортсменами, потерявшими конечности в результате несчастных случаев.

Будущее

Nike, Adidas и другие компании разрабатывают свои протезы для спорта. Adidas создал линию протезов Symbiosis, используя такие материалы, как углеродное волокно, сорботан (полиуретан) и алюминий [13]. Вместо этого компания Nike разработала протезы, которые могли бы взаимодействовать с лезвием Ossur из углеродного волокна, обеспечивая такие преимущества, как стабильность, возврат энергии и восстановление (рис. 9).

<рисунок>

Рисунок 9. Протез Nike [13].

Чтобы снизить стоимость протезов для спорта и обычного использования, при их производстве была использована 3D-печать. Как и обычные протезы, напечатанные на 3D-принтере протезы изготавливаются из таких пластиков, как полипропилен, полиэтилен, акрил и полиуретан, с внутренним пилоном из титана, алюминия или углеродного волокна.

Будущее спортивного протезирования и обычного использования, по-видимому, заключается в остеоинтеграции, т.е. прикреплении протеза непосредственно к кости ампутанта с использованием титана. Однако остеоинтеграция имеет свои плюсы и минусы. Отсутствие розетки позволит уменьшить дискомфорт и давление на кожу. С другой стороны, высок риск заражения и пациент должен ежедневно заботиться об области кожи абатмента, при этом существует вероятность того, что он не сможет выполнять такие действия, как прыжки или бег.