Lavprisfodprotese efterligner naturlig gang

Teknologien til proteser er gået frem med stormskridt, giver amputerede en række bioniske muligheder, inklusive kunstige knæ styret af mikrochips, sensorbelastede fødder drevet af kunstig intelligens, og robothænder, som en bruger kan manipulere med sindet. Men sådanne højteknologiske designs kan koste titusindvis af dollars, gør dem uopnåelige for mange amputerede, især i udviklingslande.

Nu har MIT-ingeniører udviklet en enkel, lavpris, passiv fodprotese, som de kan skræddersy til den enkelte. I betragtning af en brugers kropsvægt og størrelse, forskerne kan justere formen og stivheden af ​​fodprotesen, sådan at brugerens gang ligner en rask gang. De vurderer, at foden, hvis det er fremstillet i stor skala, kunne koste en størrelsesorden mindre end eksisterende produkter.

De specialdesignede proteser er baseret på en designramme udviklet af forskerne, som giver en kvantitativ måde at forudsige en brugers biomekaniske ydeevne på, eller gåadfærd, baseret på den mekaniske udformning af fodprotesen.

"[Walking] er noget så kerne for os som mennesker, og for dette segment af befolkningen, der har en amputation af underekstremiteterne, der er bare ingen teori for os at sige, 'her er præcis, hvordan vi skal designe en fods stivhed og geometri til dig, for at du kan gå som du ønsker, " siger Amos Winter, lektor i maskinteknik ved MIT. "Nu kan vi gøre det. Og det er super kraftfuldt."

Winter og tidligere kandidatstuderende Kathryn Olesnavage rapporterer detaljer om denne ramme i IEEE's transaktioner om neurale systemer og rehabilitering . De har offentliggjort deres resultater om deres nye fodprotese i ASME Journal of Mechanical Design, med kandidatstuderende Victor Prost og forskningsingeniør William Brett Johnson.

I 2012 kort efter Winter kom til MIT-fakultetet, han blev kontaktet af Jaipur Foot, en producent af kunstige lemmer baseret i Jaipur, Indien. Organisationen fremstiller en passiv fodprotese, rettet mod amputerede i udviklingslande, og donerer mere end 28, 000 modeller hvert år til brugere i Indien og andre steder.

"De har lavet denne fod i over 40 år, og det er robust, så landmænd kan bruge det barfodet udendørs, og det er relativt livagtigt, så hvis folk går i en moské og vil bede barfodet, de bliver sandsynligvis ikke stigmatiseret, " siger Winter. "Men det er ret tungt, og den indre struktur er lavet i hånden, hvilket skaber en stor variation i produktkvalitet."

Organisationen spurgte Winter, om han kunne designe en bedre, lettere fod, der kunne masseproduceres til lav pris.

"På det tidspunkt, vi begyndte at spørge os selv, 'Hvordan skal vi designe denne fod som ingeniører? Hvordan skal vi forudsige præstationen, givet fodens stivhed og mekaniske design og geometri? Hvordan skal vi indstille alt det for at få en person til at gå, som vi vil have dem til at gå?'" husker Winter.

Holdet, ledet af Olesnavage, ledte først efter en måde at kvantitativt relatere en proteses mekaniske egenskaber til en brugers gangpræstation – et grundlæggende forhold, der aldrig før var blevet fuldstændigt kodificeret.

Mens mange udviklere af fodproteser har fokuseret på at gentage bevægelserne af raske fødder og ankler, Winters hold tog en anden tilgang, baseret på deres erkendelse af, at amputerede, der har mistet et lem under knæet, ikke kan mærke, hvad en fodprotese gør.

"En af de kritiske indsigter, vi havde, var, at til en bruger, foden er ligesom en sort boks – den er ikke forbundet med deres nervesystem, og de interagerer ikke tæt med foden, " siger Winter.

I stedet for at designe en fodprotese til at replikere bevægelserne af en rask fod, han og Olesnavage så ud til at designe en fodprotese, der ville producere underbensbevægelser svarende til dem af en rask persons underben, når de går.

"Dette åbnede virkelig designrummet for os, " siger Winter. "Vi kan potentielt ændre foden drastisk, så længe vi får underbenet til at gøre, hvad vi vil have det til, med hensyn til kinematik og belastning, fordi det er, hvad en bruger opfatter."

Med underbenet i tankerne, holdet ledte efter måder at relatere, hvordan fodens mekanik forholder sig til, hvordan underbenet bevæger sig, mens foden er i kontakt med jorden. At gøre dette, forskerne konsulterede et eksisterende datasæt bestående af målinger af skridt taget af en arbejdsdygtig vandrer med en given kropsstørrelse og vægt. Med hvert trin, tidligere forskere havde registreret jordreaktionskræfterne og det skiftende trykpunkt, som en vandrers fod oplevede, når den vuggede fra hæl til tå, sammen med underbenets position og bane.

Winter og hans kolleger udviklede en matematisk model af en simpel, passiv fodprotese, som beskriver stivheden, mulig bevægelse, og fodens form. De tilsluttede jordens reaktionskræfter fra datasættet til modellen, som de kunne opsummere for at forudsige, hvordan en brugers underben ville oversætte gennem et enkelt trin.

Med deres model, de tunede derefter stivheden og geometrien af ​​den simulerede fodprotese for at producere en underbensbane, der var tæt på det arbejdsdygtige sving - et mål, de anser for at være en minimal "underbens banefejl."

"Ideelt set vi ville justere stivheden og geometrien af ​​foden perfekt, så vi nøjagtigt replikerer bevægelsen af ​​underbenet, " siger Winter. "Samlet set, vi så, at vi kan komme temmelig tæt på handlekraftig bevægelse og belastning, med en passiv struktur."

Udvikler sig på en kurve

Holdet søgte derefter at identificere en ideel form til en enkeltdelt fodprotese, der ville være enkel og overkommelig at fremstille, mens de stadig producerer en benbane, der ligner meget raske vandreres.

For at udpege en ideel fodform, gruppen kørte en "genetisk algoritme" - en almindelig teknik, der bruges til at frasortere ugunstige muligheder, på jagt efter de mest optimale designs.

"Ligesom en bestand af dyr, vi lavede en befolkning af fødder, alle med forskellige variabler for at lave forskellige kurveformer, " siger Winter. "Vi indlæste dem i simulering og beregnede deres underbens banefejl. Dem, der havde en høj fejl, vi slog ihjel."

Dem, der havde en lavere fejl, forskerne blandede og matchede yderligere med andre former, at udvikle befolkningen mod en ideel form, med den lavest mulige underbensbanefejl. Holdet brugte en bred Bezier-kurve til at beskrive fodens form ved kun at bruge nogle få udvalgte variabler, som var nemme at variere i den genetiske algoritme. Den resulterende fodform lignede sidebilledet af en kælk.

Olesnavage og Winter regnede med, at ved at justere stivheden og formen af ​​denne Bezier-kurve til en persons kropsvægt og størrelse, holdet skal være i stand til at producere en fodprotese, der genererer benbevægelser svarende til rask gang. For at teste denne idé, forskerne producerede flere fod til frivillige i Indien. Proteserne var lavet af bearbejdet nylon, et materiale valgt på grund af dets energilagringsevne.

"Det der er fedt er, dette opfører sig intet som en rask fod – der er ingen ankel eller mellemfodsled – det er bare en stor struktur, og alt hvad vi bekymrer os om er hvordan underbenet bevæger sig gennem rummet, " siger Winter. "De fleste af testene blev udført indendørs, men en fyr løb udenfor, han kunne så godt lide det. Det sætter en fjeder i dit skridt."

Fremadrettet, teamet har indgået partnerskab med Vibram, et italiensk firma, der fremstiller ydersål af gummi – fleksible vandrestøvler og løbesko, der ligner fødder. Virksomheden designer et livagtigt betræk til holdets protese, det vil også give foden noget trækkraft over mudrede eller glatte overflader. Forskerne planlægger at teste proteserne og belægningerne på frivillige i Indien til foråret.

Winter siger, at det enkle fodprotesedesign også kan være en meget mere overkommelig og holdbar mulighed for befolkninger som soldater, der ønsker at vende tilbage til aktiv tjeneste eller veteraner, der ønsker at leve en aktiv livsstil.

"En almindelig passiv fod på det amerikanske marked vil koste $1, 000 til $10, 000, lavet af kulfiber. Forestil dig, at du går til din proteselæge, de tager et par mål, de sender dem tilbage til os, og vi sender en specialdesignet nylonfod tilbage til dig for et par hundrede kroner. Denne model er potentielt spilskiftende for industrien, fordi vi fuldt ud kan kvantificere foden og tune den til enkeltpersoner, og bruge billigere materialer."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.