Бионические спортсмены: передовой протезирование, дающее спортивное равенство

И для косметики, и для функциональности замена отсутствующей части тела протезом (греч. «присоединение») всегда была необходимостью. Текущая технология вышли за рамки простой механической замены конечности, подняв её до биомеханического уровня благодаря введению миоэлектрических датчиков для активации протеза через мышечную активность. Здесь мы сосредоточимся на материалах, составляющих протез, в частности на тех, предназначенных для спорта, а не на электронике.

Эволюция протеза

В старые времена ампутация была единственным лечением любой серьезной раны конечности. Однако замена отсутствующей конечности была редкой и зарезервирована для знати. Первый документированный протез был обнаружен в Египте. Там мумия, датированная около 950 г. до н.э., знатной женщины была найдена с протезом пальца ноги из дерева и кожи и вырезанным ногтем как копией отсутствующей части (Рисунок 1) [1].

Рисунок 1. Эстетический палец датированный 959 г. до н.э., обнаруженный в Египте [2].

В Средние века протезы начали становиться более функциональными (Рисунок 2). Мужчины, потерявшие руки в битвах, получали замену устройством из железа с элементами, позволяющими устанавливать щит во время боев. В то же время на кораблях моряки заменяли предплечья известным крюком, а ноги — деревянными палками, оба материала легко доступны на борту.

Рисунок 2. Железный протез руки Средневековья [1].

Первый функциональный протез был придуман французским хирургом Амбруаз Парэ в 16 веке. Протез включал сгибающееся колено, которое можно было зафиксировать в стоячем положении, и руки, позволявшие французским капитанам на лошадях сжимать и отпускать вожжи [3]. В 17 веке голландский хирург Питер Вердуйн включил в свои протезы суставы, а также лучшее крепление к ноге. Позже протезы включали пружины для имитации мышц и сухожилий. В 1990-х микропроцессоры были введены для управления движением колена протеза, а датчики записывали электромиографический стимул, двигавший протез (Рисунок 3) [3].

Рисунок 3. Эволюция трансфеморального протеза за годы [3].

Три основных компонента

Протез может заменять четыре различные части тела, названные вследствие их расположения: трансгумеральный, трансрадиальный, транстибиальный и трансфеморальный. Независимо от их применения и размещения, протезы должны быть легкими для облегчения их использования (не было бы полезно иметь искусственную конечность, весящую столько же, сколько оригинальная, то есть 10% и 30–40% массы тела для двух рук и двух ног соответственно).

Протез состоит из трех основных компонентов (подвеска, пилон и гнездо), которые в целом остаются неизменными среди типов протезов (эстетических или функциональных) и расположения [4].

Гнездо — часть протеза, крепящаяся к остаточной конечности. Для гарантии комфорта пользователя и полной эффективности протеза необходимо, чтобы гнездо не раздражало кожу остаточной конечности и могло передавать удар или силу. Гнездо обычно делается из полипропилена, заменяя ранее используемую шерсть.

Подвеска — соединение между пилоном и гнездом. Она жизненно важна для удержания пилона, прикрепленного к остаточной конечности, и обычно используется вакуумный метод для создания вакуума и удержания двух частей вместе.

Пилон — ядро протеза. Обычно он создается из титана или углеродных волокон (более устойчивых, легких и прочных, чем сталь), заменяя дерево, использовавшееся в прошлом. Пилон часто покрывается мягким материалом, соответствующим цвету натуральной кожи.

Протез в спорте

После Второй мировой войны вовлечение ампутированных в спортивную деятельность стало возможностью для них вернуться к нормальной жизни, повышая их благополучие и чувство социальной включенности. Поэтому после замены отсутствующей конечности дальнейший шаг пошел в направлении оптимизации протеза для использования в спорте.

Это развитие в основном известно для бега. В 1980-х один из первых протезов, созданных для более напряженной физической активности, был Seattle Foot (Рисунок 4). Внутренний гибкий киль из Delrin (кристаллический пластик с характеристиками между металлами и пластиками), окруженный полиуретановой оболочкой, действовал как пружина, возвращая часть энергии [5].

Рисунок 4. Сечение Seattle foot [6].

Используя Flex-Foot (Рисунок 5) и Re-Flex VSP, ампутированные нижние конечности смогли достичь более энергоэффективного бега. Введение углеродных волокон позволило, в самом деле, бегать больше на носках, характеристике нормальных бегунов [7]. В частности, Flex-Foot показал наивысшее соотношение возврата энергии по сравнению с другими протезами, сделанными из полиуретана или полиацетала [5].

Рисунок 5. Протез Flex-Foot [8].

В последнее время имя южноафриканского Оскара Писториуса ударило в заголовки, будучи первым двукратным ампутированным спортсменом, соревновавшимся на Олимпийских играх, и начав дебат о технологическом допинге (Рисунок 6). Спринтер использовал Cheetahs, изобретенные медицинским инженером Ваном Филипс. Их форма спроектирована для движения вперед, поэтому пята не включена.

Согласно Джошу МакХью [9], «Cheetahs кажутся отпрыгивающими сами по себе. Невозможно стоять на них неподвижно, и трудно двигаться медленно. Как только они начинают, Cheetahs крайне трудно контролировать». Причина кроется в том, что Cheetahs сделаны из углеродно-волокнисто-армированного полимера (полиэстера, эпоксидной смолы или нейлона, связывающего углеродное волокно). В зависимости от направления и плотности волокон, можно задавать разные уровни жесткости.

Углеродное волокно работает как пружина, накапливая и высвобождая кинетическую энергию спортсмена на каждом шагу. В частности, отношение механической работы в лодочковом суставе между негативной и позитивной фазами составляет 0,907 для Cheetahs по сравнению с 0,401 для здоровых спортсменов [7].

Механическая работа в колене была в 11 и 8 раз выше в негативной и позитивной фазах соответственно в Cheetahs, чем у здоровых спортсменов [7]. Благодаря улучшенным упругим свойствам искусственной конечности, паралимпийские прыгуны в длину используют протезную ногу для отталкивания во время прыжка.

Рисунок 6. Оскар Писториус на старте в протезах Cheetah [10].

Во время бега трансфеморальные ампутированные спортсмены имеют больше недстатков чем трансстибиальные. Главная причина кроется в том, что коленный сустав трудно механически воспроизвести из-за его высокой сложности. Бег трансфеморального спортсмена характеризуется асимметрией до 36% в фазе замаха между способной и неспособной сторонами [11]. Поэтому предложены разные решения для устранения проблемы инерции, влияющей на ускорение протеза во фазе восстановления.

Не только бег

Эволюция протезов для спорта не ограничивается миром бега. Обычно протезы нижних конечностей используются в видах спорта, требующих вертикального положения, как лыжи, в то время как протезы верхних конечностей используются для спорта такого как гребля или велоспорт. В последнем случае толчок и стабильность, даваемые руками, существенны. Во многих видах спорта адаптация протезов не необходима для игры, но в большинстве случаев она необходима [11].

В велоспорте протез верхней конечности должен позволять переключать передачи. Стандартный механизм открытия/закрытия должен быть достаточен. Однако для соревновательного велоспорта протез должен гарантировать способность спортсмена менять свою позицию на руле тоже [11]. Для горного велосипеда амортизатор может снизить вибрации езды, передаваемые к рулю (Рисунок 7).

Для нижней конечности энергие накапливающие стопы, полезные для ходьбы и бега, являются недостатком в велоспорте, не позволяя правильный толчок из-за их упругости [11]. Обычно нормальный протез нижней части тела достаточен для гарантии толчка. Все равно некоторые адаптации нужно учитывать, такие как более широкая педаль и изгибы для фиксации протеза к педали.

Рисунок 7. Поршневая адаптация протеза верхней части тела для горного велосипеда [12].

Односторонние ампутированные верхних и нижних конечностей обычно могут плавать без проблем, если у них водонепроницаемые протезы. Однако для улучшения их эффективности плавник часто напрямую крепится к гнезду здоровой конечности (Рисунок 8) и той же длины, что и здоровая конечность [11].

Рисунок 8. Адаптация плавника для плавания [12].

Кроме того, Bartlett Tendon Universal Knee и XT9 — протезы, используемые в экстремальных видах спорта, от лыж и сноуборда до мотоциклетного спорта. Оба протеза изобретены спортсменами, потерявшими конечности в авариях.

Будущее

Nike, Adidas и другие подобные компании разрабатывают свои протезы для спорта. Adidas создала линию протезов Symbiosis, используя материалы как углеродное волокно, сорботейн (полиуретан) и алюминий [13]. Nike двинулась в сторону создания протезов, которые могли бы взаимодействовать с углеродным лезвием Ossur, обеспечивая преимущества такие как стабильность, возврат энергии и восстановление (Рисунок 9).

Рисунок 9. Протез Nike [13].

Для снижения цены спортивных и обычных протезов 3D-печать была задействована в их производстве. Как и обычные протезы, 3D-печатные протезы делаются из пластиков вроде полипропилена, полиэтилена, акрилов и полиуретана, с внутренним пилоном из титана, алюминия или углеродного волокна.

Будущее спортивных протезов и обычного использования, кажется, лежит в остеоинтеграции, то есть креплении протеза напрямую в кость ампутированного с помощью титана. Однако остеоинтеграция представляет плюсы и минусы. Отсутствие гнезда позволит снизить дискомфорт и давление на кожу. С другой стороны, риск инфекции высок и пациент должен заботиться о кожной зоне абутмента ежедневно, с возможностью не быть способным делать такие активности как прыжки или бег.