Ondanks de geavanceerde technologie blijft lopen en bewegen met een knieprothese fysiek en mentaal zwaar voor de betrokkenen. De processen zijn soms nog niet ideaal. Bijkomend probleem is ook dat gebruikers zich onbewust aanpassen aan het gedrag van de prothese. Op lange termijn kan dit leiden tot nieuwe problemen, zoals heupproblemen of overmatige belasting van het gezonde been. Een ideale knieprothese moet zich aanpassen aan het gedrag van de gebruiker, aldus Dr. Michael Tschiedel, die dit onderwerp onderzocht in zijn proefschrift aan de Technische Universiteit van Wenen en een slimme knieprothese ontwikkelde in samenwerking met Otto Bock Healthcare Products GmbH.
Complex systeem
Je knie geeft steun als we staan en flexibiliteit als je loopt. Hieraan ten grondslag ligt een complex systeem van kraakbeen, spieren en zachte weefsels. De reden dat we ons niet bewust zijn van deze complexiteit is dat we onze knie onbewust en automatisch controleren. Knieprothesen vereisen echter complexe technologie.
Want, “ze vervangen niet alleen de structuur van het been, maar ook de biologische functie. Als zij steun moeten bieden en doorbuiging moeten voorkomen, moeten zij een sterk gedempte buigweerstand bieden. Om doorzwaaien tijdens het lopen mogelijk te maken, moeten ze een losse demping hebben,” legt Tschiedel uit.
Traploze regeling
State-of-the-art in de high-end sector zijn uniaxiale microprocessorgestuurde knieprothesen die heel dicht in de buurt komen van natuurlijk lopen. Dit wordt mogelijk gemaakt door een samenspel van mechanica, elektronica en firmware. De sensoren detecteren in real time of de persoon loopt, stilstaat, zit of opstaat.
De sensorgegevens worden doorgegeven aan de geïntegreerde hydraulische eenheid, die zo de gewenste regelwaarde kan selecteren en continu kan regelen. Een mechanisme dat Tschiedel vereenvoudigd vergelijkt met een deurscharnier dat voorzien is van een demper – en ervoor zorgt dat de deur langzaam sluit.
De situatie verkeerd inschatten kan onaangenaam zijn. Want als de knie bijvoorbeeld tijdens het lopen plotseling blokkeert, kan de persoon in het ergste geval vallen. Veiligheid moet daarom de hoogste prioriteit hebben in de prothese-technologie, aldus de onderzoeker.
Verwerving van fysieke hoeveelheden
De onderneming Ottobock bereikte 25 jaar geleden een mijlpaal in protheseontwerp met de zogenoemde C-Leg. Sindsdien gebruikt het bedrijf sensorgegevens voor de microprocessorgestuurde besturing van knieprothesen. De geïntegreerde sensoren registreren de optredende krachten, hoeksnelheden en versnellingen, evenals een ruimtelijke positie-eenheid met zes assen die de positie en rotatiesnelheid van het kniegewrichtssysteem in de ruimte bepaalt.
Daardoor weet het besturingssysteem precies hoe de prothese zich in de ruimte beweegt, hoe het boven- en onderbeen ten opzichte van elkaar veranderen en leidt daaruit de exacte loopfase en activiteit af. Tot nu toe werd de beoordeling echter alleen gebaseerd op fysieke variabelen die rechtstreeks in de prothese kunnen worden gemeten. De fysieke omgeving bleef buiten beschouwing, legt Tschiedel uit.
Omgevingsinformatie
Als eerste wilde hij gaan werken met omgevingsgegevens, om na te gaan of de bewegingssequenties van de knieprothese nog natuurlijker konden worden gemaakt. Hij liet zich inspireren door de technologieën van de auto-industrie, die de omgeving van zelfrijdende auto’s analyseren. Hij onderzocht soortgelijke technologieën op hun geschiktheid voor beenprothesen. Dit waren met name echo- en camerasensoren, waarmee hij het gedrag van het andere – gezonde – been registreerde.
Zijn veronderstelling was dat informatie over het gedrag van de gezonde knie de controle van de knieprothese zou verbeteren. “In het menselijk lichaam vinden bewegingen plaats in een gekoppeld systeem. Wij gebruiken deze koppeling onbewust om onze bewegingen te synchroniseren en het ene been te besturen in afhankelijkheid van het andere been. Het is precies deze natuurlijke koppeling die we probeerden te reproduceren om de controle van de knieprothese te verbeteren,” legt Tschiedel uit.
Intuïtief lopen
Na proof-of-concept en klinische studie is het duidelijk dat de aanpak van de jonge onderzoeker inderdaad een verbetering oplevert. “Door middel van sensoren en een geavanceerd algoritme, rechtstreeks geïntegreerd in de prothese, weet het gewricht precies hoe het gezonde, tegenoverliggende been beweegt. Zo wordt het lopen intuïtiever en is het lichamelijk en geestelijk minder zwaar,” zegt Tschiedel.
De nieuwe technologie maakt de knieprothese nog geschikter voor dagelijks gebruik en veiliger. Gebruikers hoeven het systeem niet via een apparaat te bedienen. Het geïntegreerde besturingssysteem reageert automatisch op hun bewegingsgedrag.
Über Michael Tschiedel
Michael Tschiedel (28) studeerde af aan de TU Wien met een bachelor in elektrotechniek en informatietechnologie en een master in biomedische techniek. In 2022 promoveerde hij tot doctor in de technische wetenschappen sub auspiciis Praesidentis rei publicae. In december 2022 ontving hij de Dr. Ernst Fehrer Prijs van het Rectoraat van de TU Wien voor zijn onderzoek naar gegevensgestuurde knieprothesen. De prijs is begiftigd met 8000 euro en wordt jaarlijks toegekend voor bijzondere technische onderzoeksprestaties met praktische toepasbaarheid.
Foto: Michael Tschiedel met zijn intelligente knieprothese (c) Akos Burg
