Prothetische ledemaattechnologie is met grote sprongen vooruitgegaan, geamputeerden een reeks bionische opties geven, inclusief kunstmatige knieën gecontroleerd door microchips, met sensoren beladen voeten aangedreven door kunstmatige intelligentie, en robothanden die een gebruiker met haar geest kan manipuleren. Maar zulke hightech-ontwerpen kunnen tienduizenden dollars kosten, waardoor ze voor veel geamputeerden onbereikbaar zijn, vooral in ontwikkelingslanden.

Nu hebben MIT-ingenieurs een eenvoudige, goedkoop, passieve voetprothese die ze kunnen aanpassen aan een individu. Gezien het lichaamsgewicht en de grootte van een gebruiker, kunnen de onderzoekers de vorm en stijfheid van de voetprothese afstemmen, zodanig dat de stap van de gebruiker vergelijkbaar is met een gezonde gang. Ze schatten dat de voet, indien op grote schaal vervaardigd, zou een orde van grootte minder kunnen kosten dan bestaande producten.

De op maat ontworpen prothesen zijn gebaseerd op een ontwerpraamwerk ontwikkeld door de onderzoekers, die een kwantitatieve manier biedt om de biomechanische prestaties van een gebruiker te voorspellen, of loopgedrag, gebaseerd op het mechanische ontwerp van de prothesevoet.

"[Wandelen] is iets dat zo belangrijk is voor ons als mensen, en voor dit deel van de bevolking met een amputatie van de onderste ledematen, er is gewoon geen theorie voor ons om te zeggen, 'hier is precies hoe we de stijfheid en geometrie van een voet voor u moeten ontwerpen, zodat je kunt lopen zoals je wilt, '" zegt Amos Winter, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde aan het MIT. "Nu kunnen we dat doen. En dat is super krachtig."

Winter en voormalig afgestudeerde student Kathryn Olesnavage rapporteren details van dit raamwerk in IEEE's transacties op neurale systemen en revalidatie . Ze hebben hun resultaten over hun nieuwe voetprothese gepubliceerd in het ASME Journal of Mechanical Design, met afgestudeerde student Victor Prost en onderzoeksingenieur William Brett Johnson.

In 2012, kort nadat Winter toetrad tot de MIT-faculteit, hij werd benaderd door Jaipur Foot, een fabrikant van kunstmatige ledematen gevestigd in Jaipur, Indië. De organisatie vervaardigt een passieve voetprothese, gericht op geamputeerden in ontwikkelingslanden, en schenkt meer dan 28, 000 modellen per jaar aan gebruikers in India en elders.

"Ze maken deze voet al meer dan 40 jaar, en het is ruig, zodat boeren het buiten op blote voeten kunnen gebruiken, en het is relatief levensecht, dus als mensen een moskee binnengaan en op blote voeten willen bidden, ze zullen waarschijnlijk niet worden gestigmatiseerd, " zegt Winter. "Maar het is best zwaar, en de interne structuur is helemaal met de hand gemaakt, wat zorgt voor een grote variatie in productkwaliteit."

De organisatie vroeg Winter of hij een beter, lichtere voet die tegen lage kosten in massa kon worden geproduceerd.

"Op dat punt, we begonnen ons af te vragen, 'hoe moeten we deze voet als ingenieurs ontwerpen? Hoe moeten we de prestaties voorspellen, gezien de stijfheid van de voet en het mechanische ontwerp en de geometrie? Hoe moeten we dat allemaal afstemmen om iemand te laten lopen zoals we willen dat hij loopt?'" herinnert Winter zich.

Het team, onder leiding van Olesnavage, zocht eerst naar een manier om de mechanische kenmerken van een prothese kwantitatief te relateren aan de loopprestaties van een gebruiker - een fundamentele relatie die nooit eerder volledig was vastgelegd.

Hoewel veel ontwikkelaars van voetprothesen zich hebben gericht op het repliceren van de bewegingen van gezonde voeten en enkels, Winters team pakte het anders aan, op basis van hun besef dat geamputeerden die een ledemaat onder de knie hebben verloren, niet kunnen voelen wat een voetprothese doet.

"Een van de kritische inzichten die we hadden was dat, aan een gebruiker, de voet is net een soort zwarte doos - hij is niet verbonden met hun zenuwstelsel, en ze hebben geen intieme interactie met de voet, ' zegt Winter.

In plaats van een voetprothese te ontwerpen die de bewegingen van een gezonde voet nabootst, hij en Olesnavage wilden een voetprothese ontwerpen die bewegingen van het onderbeen zou produceren die vergelijkbaar zijn met die van het onderbeen van een valide persoon terwijl ze lopen.

"Dit opende echt de ontwerpruimte voor ons, Winter zegt. "We kunnen de voet mogelijk drastisch veranderen, zolang we het onderbeen laten doen wat we willen dat het doet, in termen van kinematica en belasting, want dat is wat een gebruiker waarneemt."

Met het onderbeen in gedachten, het team zocht naar manieren om te relateren hoe de mechanica van de voet zich verhoudt tot hoe het onderbeen beweegt terwijl de voet in contact is met de grond. Om dit te doen, de onderzoekers raadpleegden een bestaande dataset met metingen van stappen genomen door een valide wandelaar met een bepaalde lichaamsgrootte en gewicht. Met elke stap, eerdere onderzoekers hadden de grondreactiekrachten en het veranderende drukcentrum geregistreerd dat een rollatorvoet ervaart terwijl deze van hiel tot teen schommelt, samen met de positie en het traject van het onderbeen.

Winter en zijn collega's ontwikkelden een wiskundig model van een eenvoudig, passieve prothetische voet, die de stijfheid beschrijft, mogelijke beweging, en vorm van de voet. Ze stopten de grondreactiekrachten uit de dataset in het model, die ze konden samenvatten om te voorspellen hoe het onderbeen van een gebruiker zich door een enkele stap zou vertalen.

Met hun model ze stemden vervolgens de stijfheid en geometrie van de gesimuleerde prothesevoet af om een ​​onderbeentraject te produceren dat dicht bij de gezonde zwaai lag - een maat die zij beschouwen als een minimale "onderbeentrajectfout".

"Ideaal, we zouden de stijfheid en geometrie van de voet perfect afstemmen, zodat we de beweging van het onderbeen exact nabootsen, " zegt Winter. "Over het algemeen, we zagen dat we verdomd dicht bij gezonde beweging en belasting kunnen komen, met een passieve structuur."

Evolueren in een bocht

Het team zocht vervolgens naar een ideale vorm voor een enkelvoudige prothesevoet die eenvoudig en betaalbaar te vervaardigen zou zijn, terwijl het nog steeds een beentraject produceert dat erg lijkt op dat van valide wandelaars.

Om een ​​ideale voetvorm te bepalen, de groep gebruikte een 'genetisch algoritme' - een veelgebruikte techniek om ongunstige opties uit te bannen, op zoek naar de meest optimale ontwerpen.

"Net als een populatie dieren, we maakten een populatie van voeten, allemaal met verschillende variabelen om verschillende curvevormen te maken, " zegt Winter. "We hebben ze in een simulatie geladen en hun onderbeentrajectfout berekend. Degenen die een hoge fout hadden, we hebben gedood."

Degenen die een lagere fout hadden, de onderzoekers vermengden zich verder met andere vormen, om de populatie te evolueren naar een ideale vorm, met de laagst mogelijke baanfout van het onderbeen. Het team gebruikte een brede Bézier-curve om de vorm van de voet te beschrijven met slechts een paar geselecteerde variabelen, die gemakkelijk te variëren waren in het genetische algoritme. De resulterende voetvorm leek op het zijaanzicht van een rodelbaan.

Olesnavage en Winter dachten dat, door de stijfheid en vorm van deze Bézier-curve af te stemmen op het lichaamsgewicht en de grootte van een persoon, het team moet in staat zijn om een ​​prothesevoet te produceren die beenbewegingen genereert die vergelijkbaar zijn met wandelen met een gezonde levensstijl. Om dit idee te testen, de onderzoekers maakten enkele voeten voor vrijwilligers in India. De prothesen zijn gemaakt van machinaal bewerkt nylon, een materiaal gekozen vanwege zijn vermogen tot energieopslag.

"Wat cool is, dit gedraagt ​​zich niet als een gezonde voet - er is geen enkel of middenvoetgewricht - het is gewoon één grote structuur, en het enige waar we om geven is hoe het onderbeen door de ruimte beweegt, " zegt Winter. "De meeste testen zijn binnen gedaan, maar een man rende naar buiten, hij vond het zo leuk. Het zet een veer in je stap."

Vooruit gaan, het team werkt samen met Vibram, een Italiaans bedrijf dat rubberen buitenzolen maakt:flexibele wandelschoenen en hardloopschoenen die eruitzien als voeten. Het bedrijf ontwerpt een levensechte bekleding voor de prothese van het team, dat geeft de voet ook wat grip op modderige of gladde oppervlakken. De onderzoekers zijn van plan de protheses en bekledingen dit voorjaar in India te testen op vrijwilligers.

Winter zegt dat het eenvoudige ontwerp van de prothesevoet ook een veel goedkopere en duurzamere optie kan zijn voor populaties zoals soldaten die willen terugkeren naar actieve dienst of veteranen die een actieve levensstijl willen leiden.

"Een gewone passieve voet op de Amerikaanse markt kost $ 1, 000 tot $ 10, 000, gemaakt van koolstofvezel. Stel je voor dat je naar je prothesemaker gaat, ze nemen een paar metingen, ze sturen ze terug naar ons, en we sturen je een op maat ontworpen nylon voet terug voor een paar honderd dollar. Dit model is potentieel baanbrekend voor de industrie, omdat we de voet volledig kunnen kwantificeren en afstemmen op individuen, en gebruik goedkopere materialen."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.