Die Technologie der Gliedmaßenprothese hat in den letzten Jahren stark zugenommen, aber neue Designs können Zehntausende von Dollars kosten, so dass viele Amputierte ohne erschwingliche Produkte auskommen.  

Jetzt haben Ingenieure am MIT ein kostengünstiger, passiver Prothesenfuß das kann angepasst werden, um das Individuum zu passen und einen gesunden Spaziergang nachzuahmen.

"[Gehen] ist etwas so Kern für uns wie Menschen, und für dieses Segment der Bevölkerung, die eine Unterschenkelamputation haben, gibt es einfach keine Theorie für uns zu sagen: "Hier ist genau, wie wir die Steifigkeit und Geometrie eines Fußes für Sie, damit Sie gehen können, wie Sie es wünschen, '" Amos Winter, ein Associate Professor für Maschinenbau am MIT, sagte in einer Erklärung. "Jetzt können wir das tun. Und das ist super stark. "

Die Forschung wurde im Internet veröffentlicht ASME Journal des mechanischen Designs.

Eine neue Aufgabe

Die MIT-Forschung begann in 2012, als sich Winter anschlug Jaipur Fuß, eine in Indien ansässige Organisation, die künstliche Gliedmaßen herstellt.

Es bietet Menschen in Entwicklungsländern einen passiven Prothesenfuß und spendet jährlich mehr als 28,000-Modelle an Prothesennutzer in Indien und im Ausland.

Über 40 Jahre hat die Organisation den gleichen Fuß gemacht - ein robustes, relativ lebensnahes Modell, das es Benutzern ermöglicht, Aufgaben sowohl im Freien als auch im Inneren auszuführen.

Das Modell ist jedoch ziemlich schwer und die innere Struktur wird von Hand hergestellt, was eine Variation der Produktqualität erzeugt.

Aus diesem Grund fragte Jaipur Foot Winter, ob er helfen könnte, einen besseren, leichteren Fuß zu entwickeln, der kostengünstig in Serie produziert werden könnte.

"An diesem Punkt begannen wir uns zu fragen, wie sollten wir diesen Fuß als Ingenieure gestalten? Wie sollten wir die Leistung vorhersagen, wenn man die Steifigkeit und mechanische Konstruktion und Geometrie des Fußes berücksichtigt? Wie sollten wir alles tun, damit eine Person so läuft, wie wir wollen? « "Winter sagte in einer Erklärung.

Den Fuß entwickeln

Die Forscher, angeführt von der ehemaligen MIT-Doktorandin Kathryn Olesnavage suchte zunächst nach einer quantifizierbaren Methode, um die mechanischen Eigenschaften einer Prothese mit der Gehleistung eines Benutzers in Beziehung zu setzen

Während diese Beziehung offensichtlich scheint, war sie nie vollständig gebildet worden.

Das liegt daran, dass sich viele Entwickler von Fußprothesen darauf konzentrieren, die Bewegungen von gesunden Füßen und Knöcheln nachzubilden - eine Übung, die für jemanden, der nicht einmal das Gefühl des Fußes spürt, keinen großen Unterschied macht.

"Eine der entscheidenden Erkenntnisse, die wir hatten, war, dass der Fuß für einen Benutzer nur wie eine Black Box ist - er ist nicht mit seinem Nervensystem verbunden und er interagiert nicht eng mit dem Fuß ", sagte Winter in einer Erklärung .

Stattdessen konzentrierten sich die Forscher darauf, einen Prothesenfuß zu entwickeln, der Beinbewegungen ähnlich denen eines gehfähigen Rollators erzeugt und somit die Gehfähigkeit des Amputierten erhöht.

"Prothesennutzer in Indien und anderen Entwicklungsländern wollen in der Regel gesund erscheinen, um Stigmata im Zusammenhang mit Behinderungen zu vermeiden. Diese Anforderung hat uns dazu gebracht, Wege zu erforschen, wie wir den Fuß so gestalten können, dass er eine Beinbewegung ermöglicht, die fast unbehindert ist ", sagte Winter.

In diesem Sinne suchte das Team nach Wegen, um zu verstehen, wie sich die Fußmechanik darauf bezieht, wie sich das Unterbein bewegt, wenn der Fuß in Kontakt mit dem Boden ist.

Die Forscher haben einen vorhandenen Datensatz konsultiert, der Messungen von Schritten umfasst, die von einem gehfähigen Gehgestell mit einer spezifischen Körpergröße und einem Körpergewicht durchgeführt wurden. Frühere Forscher hatten die Bodenreaktionskräfte und das sich ändernde Druckzentrum, das der Fuß eines Fußgängers mit jedem Schritt erfährt, zusammen mit der Position und der Flugbahn des Unterschenkels aufgezeichnet.

Die Forscher entwickelten dann ein mathematisches Modell, das die Steifigkeit, die mögliche Bewegung und die Form eines einfachen Prothesenfußes beschreibt.

Als nächstes gingen sie in die Bodenreaktionskräfte aus dem Datensystem ein, mit denen sie vorhersagen konnten, wie sich das Unterbein eines Benutzers in einem einzigen Schritt bewegen würde.

Unter Verwendung ihres Modells stimmten sie die Steifigkeit und Geometrie des simulierten Prothesenfußes auf einen minimalen "Unterschenkel-Trajektorienfehler" ab und erzeugten eine Unterschenkel-Trajektorie, die nahe bei einem Bewegungsfähigen war.

Feineinstellung des Produkts

Das Team suchte dann nach einer idealen Form für einen einteiligen Prothesenfuß, der einfach und kostengünstig in der Herstellung sein und gleichzeitig eine Beintrajektorie erzeugen könnte, die einer gesunden Gehhilfe ähnelt.

Um dies zu erreichen, führten die Forscher einen "genetischen Algorithmus" durch, um nach den begehrtesten Designs zu suchen.

Sie erstellten eine "Population" von Füßen mit verschiedenen Variablen, um unterschiedliche Kurvenformen zu erzeugen. Dann berechneten sie ihren Trajektorienfehler des Unterschenkels, beseitigten diejenigen, die einen höheren Fehler hatten, und mixten und passten diejenigen mit einem niedrigeren Fehler an, um sich zu einer idealen Form zu entwickeln.

Dazu benutzten sie eine breite Bezier-Kurve, um die Form des Fußes zu beschreiben, die am Ende der Seitenansicht eines Toboggans ähnelte.

Die Forscher glauben, dass durch die Anpassung der Steifigkeit und Form der Bezier-Kurve an das Körpergewicht und die Größe einer Person ein Fußprothesenfuß erzeugt werden kann, der Beinbewegungen ähnlich wie beim gesunden Gehen erzeugt.

Schließlich testeten die Forscher das Design, indem sie in Indien mehrere Nylonfüße für Freiwillige produzierten.

"Unser Forschungsteam besucht unsere Partner in Indien alle sechs Monate, um Prototypen zu testen und Feedback von ihren Patienten und Ärzten zu erhalten", sagte Winter. "Die Patienten, die unseren Fuß ausprobierten, waren sehr begeistert von der Energiespeicherung und -rückgabe und erleichterten die normale Gehgeschwindigkeit. Eine Testperson lief draußen herum, weil er so aufgeregt war. "

Der nächste Schritt

Nach erfolgreichen Versuchen in Indien hat sich das Team mit Vibram zusammengetan, einer italienischen Firma, die Gummi-Außensohlen, flexible Wanderschuhe und Laufschuhe, die wie Füße aussehen, herstellt.

"In diesem Sommer werden wir unseren Fuß langfristig mit einer integrierten, überformten, kosmetischen und hoch beanspruchten Sohle testen, die von Vibram entwickelt wurde", sagte Winter. "Wir erforschen das beste Geschäftsmodell, um unsere Technologie zu kommerzialisieren. Wir sind nicht weit von der Kommerzialisierung entfernt, ich würde nicht mehr als ein paar Jahre erwarten, aber es ist wichtig, dass wir unsere Sorgfaltspflicht anwenden, um sicherzustellen, dass das Produkt robust ist und die Bedürfnisse der Benutzer erfüllt, bevor wir es veröffentlichen. "

Darüber hinaus wurde die Forschung vom US-Verteidigungsministerium finanziert, um verletzten und aktiven Soldaten eine Fußprothese zu geben, sowie Veteranen, die einen aktiven Lebensstil führen.

"Wir untersuchen, wie wir unseren Fuß auf mehrere Laufszenarien abstimmen können, die für diese Bevölkerungsgruppe wichtig sind, wie unebenes Gelände und Steigungen und Gefälle. Wir untersuchen auch, wie man leichtfüßige Füße für Einzelpersonen herstellen kann, etwa durch den 3D-Druck ", sagte Winter.

Winter fügte hinzu, dass die Fähigkeit, die Körpergröße und das Gewicht einer Person zu verwenden, um einen individuellen Fuß für eine Person zu gestalten, besonders wichtig für Frauen ist, da weibliche Amputierte oft Füße verwenden müssen, die zu groß oder zu steif für sie sind.

Insgesamt hofft das Team, einen Prothesenfuß zu schaffen, der Amputierten eine gehfähige Laufleistung zu niedrigen Kosten bieten kann.

"Unser Ziel ist es, prothetische Fußtechnologien zu entwickeln, die ähnliche Laufleistungen bieten wie Produkte, die in wohlhabenden Märkten erhältlich sind, aber zu einem Bruchteil des Preises und erschwinglich für die zig Millionen Amputierten der unteren Extremitäten in den Entwicklungsländern", sagte Winter.

"Wir hoffen, dass unsere Füße Mobilität, Beschäftigung und volle Integration in die Gesellschaft für diese Bevölkerung erleichtern können, indem wir ihnen ein robustes, kulturell angemessenes und körperlich gut ausgestattetes Produkt zur Verfügung stellen."