Nieuwe voetprothese maakt natuurlijkere bewegingen mogelijk

Wie over een prothetische voet kan hiermee in veel gevallen niet op een natuurlijke wijze lopen. Een nieuw soort voetprothese moet hier verandering in brengen. De vorm en de stijfheid van deze prothese wordt nauwkeurig afgestemd op het lichaamsgewicht en de lengte van de drager, waardoor deze de prothese op een veel natuurlijkere wijze kan gebruiken.

De nieuwe voetprothese is ontwikkeld door het Massachusetts Institute of Technology (MIT). Voetprotheses worden steeds verder doorontwikkeld. Zo zijn inmiddels protheses beschikbaar die voorzien zijn van allerlei sensoren en kunstmatige intelligentie (AI) inzetten om signalen van gebruikers te vertalen om natuurlijke bewegingen van het onderbeen na te bootsen. Dergelijke geavanceerde protheses zijn echter zeer kostbaar en hierdoor voor veel gebruikers niet bereikbaar. 

Eenvoudiger ontwerp en lagere kosten

Het MIT heeft daarom een nieuwe voetprothese ontwikkeld die een stuk eenvoudiger en goedkoper is dan deze high-tech protheses. Het gaat om een passieve prothese, waarvan de vorm en stijfheid kan worden afgestemd op het lichaamsgewicht en de lengte van de drager. Dit is van belang, aangezien deze eigenschappen in belangrijke mate van invloed zijn op de wijze waarop gebruikers met hun voetprothese overweg kunnen. 

De nieuwe prothese bevat geen sensoren en maakt daarnaast geen gebruik van AI. Door het relatief eenvoudige ontwerp verwachten de onderzoekers van het MIT dat hun prothese – indien deze op grote schaal wordt geproduceerd – vele malen goedkoper op de markt kan worden gebracht dan bestaande high-tech protheses. De onderzoekers verwachten de kosten van een prothese te kunnen terugdringen van duizenden dollars naar enkele honderden dollars. 

Stijfheid en geometrie aanpassen op gebruiker

De prothese is gebaseerd op een raamwerk dat is ontwikkeld door onderzoekers van het MIT. Dit raamwerk maakt het mogelijk het loopgedrag van gebruikers nauwkeurig in kaart te brengen. “Lopen is iets dat zeer natuurlijk is voor ons mensen. Voor het deel van de bewolking waarvan het onderbeen is geamputeerd is echter geen theorie beschikbaar die ons in staat stelt exact te bepalen hoe de stijfheid en geometrie van een voet moet worden ontworpen om je in staat te stellen te lopen zoals jij dat wilt”, legt Amos Winter, hoogleraar Werktuigbouwkunde bij het MIT, uit. “Nu kunnen we dit wel doen, en dat is zeer waardevol.”

Winter heeft de prothese ontwikkeld in samenwerking met Jaipur Foot, een fabrikant van protheses uit het Indiase Jaipur. Dit bedrijf ontwikkelt passieve voetprotheses gericht op ontwikkelingslanden. “Zij maken deze voet al ruim 40 jaar. Het (red: de prothese) is duurzaam, zodat boeren het blootsvoets buiten kunnen gebruiken. Ook ziet de prothese er levensecht uit, zodat mensen een moskee kunnen betreden en blootsvoets kunnen bidden zonder hierbij gestigmatiseerd te worden”, legt Winter uit. “De prothese is echter redelijk zwaar en de interne structuur wordt met de hand gemaakt, waardoor een grote variatie bestaat in productkwaliteit.”

Lichtere voetprothese ontwerpen

Jaipur Foot heeft Winter daarom gevraagd een nieuwe voetprothese met een lager gewicht te ontwerpen die tegen lage kosten op grote schaal kan worden geproduceerd. Winter geeft aan dat veel ontwerpers van voetprotheses proberen bewegingen van menselijke voeten en enkels proberen na te bootsen. Het team van Winter wijst er echter op dat geamputeerden geen gevoel hebben in hun voetprotheses en hierdoor niet voelen wat hun prothese doet. “Een van de kritieke inzichten die wij hebben verkregen is dat de voet voor een gebruiker een soort zwarte doos is – het is niet verbonden met hun zenuwstelsel en zij zijn niet in staat interactie te hebben met de voet”, aldus Winter. 

Het team heeft zich daarom niet gericht op het ontwerpen van een voetprothese die de bewegingen van een menselijk onderbeen kunstmatig probeert na te bootsen, maar juist een prothese die dankzij zijn vorm en stijfheid tijdens het lopen door de bewegingen van het bovenbeen dezelfde bewegingen maakt als het menselijke onderbeen. “Idealiter stemmen we de stijfheid en geometrie van de fout perfect af zodat we de bewegingen van het onderbeen exact repliceren”, aldus Winter. De hoogleraar geeft aan dat zijn team met zijn prothese deze natuurlijke bewegingen zeer nauwkeurig kan realiseren.

Computersimulaties

De ideale vorm van een prothese om natuurlijke bewegingen mogelijk te maken is vastgesteld via computersimulaties. Hierbij zijn een groot aantal digitale ontwerpen van voetprotheses gecreëerd, die vervolgens met behulp van algoritmes zijn geanalyseerd om de bewegingen van het onderbeen in kaart te brengen. De ontwerpen met de meest veelbelovende resultaten zijn vervolgens doorontwikkeld en opnieuw gesimuleerd, wat heeft geleid tot het uiteindelijke ontwerp. 

Het team van MIT kondigt aan te gaan samenwerking met Vibram, een Italiaans bedrijf dat rubber schoenzolen ontwikkeld. Dit bedrijf gaat een ‘omhulsel’ voor de voetprothese ontwikkelen die de prothese een levensecht uiterlijk moet geven. Daarnaast moet het omhulsel ook zorgen voor voldoende grip op modderige of gladde oppervlaktes. Naar verwachting worden de prothese en dit omhulsel ontwikkeld door Vibram in het voorjaar getest op vrijwilligers in India. 

Auteur: Wouter Hoeffnagel
Bron: MIT (foto)