Bionische voet maakt lopen moeiteloos voor amputees

Een groep onderzoekers heeft een nieuwe bionische voet ontwikkeld die de natuurlijke beweging van het menselijk lopen nabootst. Dankzij het ‘Autonomous leg’-systeem kunnen gebruikers soepel en moeiteloos lopen. Uit eerste tests is gebleken dat de bionische voet de spieren in het onderbeen ritmisch kan activeren, waardoor vermoeidheid wordt verminderd en de loopervaring voor mensen met een amputatie wordt verbeterd.

Het project, een samenwerking tussen het Radboudumc en de Universiteit Twente, had als doel een systeem te creëren dat automatisch ritmische loopbewegingen kan uitvoeren, iets wat in tegenstelling staat tot wat er gebeurt met passieve prothesen.

“Voor mensen bij wie de voet is geamputeerd, bestaan vooral passieve prothesen en prothesen waarin vooraf gestelde regels zijn verwerkt voor de bewegingen die ermee kunnen worden gemaakt”, aldus Massimo Sartori, hoogleraar neuromuscular robotics & engineering Universiteit Twente. “Wij willen komen tot een model dat de natuurlijke voetbeweging nabootst.”

Inspiratie putten uit het ruggenmerg

Onderzoekers putten inspiratie uit de centrale patroongeneratoren van het ruggenmerg. De beweging van de voet wordt aangestuurd door het ruggenmerg, dat gespecialiseerde centrale patroongeneratoren bevat. Zodra deze worden geactiveerd, bewegen ze op het ritme dat ze ‘kennen’, zoals bij het lopen. Omdat het een ‘ingesleten patroon’ is, gaat het om een automatische beweging waarvoor nauwelijks nadenken nodig is. Dit in tegenstelling tot bijvoorbeeld pianospelen, waarbij de hersenen voortdurend actief moeten meewerken.

Om die motorische controle na te bootsen, hebben de onderzoekers een besturingssysteem voor een bionische voet ontwikkeld. Sartori: “Daarmee kunnen we de juiste signalen geven om de spieren aan de voor- en achterkant van het been ritmisch en in een herhalend patroon aan te sturen, zodat de gebruiker op een prettige, ontspannen manier kan lopen.”

Veelbelovende resultaten

Bij de eerste tests liepen proefpersonen met een bionische voet op een loopband bij twee verschillende snelheden, om te beoordelen in hoeverre de centrale patroongeneratoren in het ruggenmerg de aandrijving van de bionische voet kunnen aansturen. Uit deze tests bleek dat het systeem de spieren in het onderbeen ritmisch kon aansturen, wat leidde tot een soepelere, minder inspannende manier van lopen die de cognitieve belasting en vermoeidheid bij de gebruikers kan verminderen.

"We willen kijken of we de meer geautomatiseerde rol van het ruggenmerg kunnen repliceren bij de controle van de benen tijdens ritmische en cyclische bewegingen zoals lopen," zegt Ruud Leijendekkers, universitair hoofddocent en fysiotherapeut Radboudumc. "Als de hersenen hierin inderdaad geen rol meer spelen, zou dit vermoeidheid bij de gebruiker voorkomen omdat de hersenen minder worden belast."

Een systeem dat overal werkt

De volgende cruciale stap is het ontwikkelen van een volledig zelfstandig systeem met ingebouwde sensoren, een batterij en een minicomputer, zodat er in praktijksituaties getest kan worden. Het draadloos maken van het systeem is essentieel om gebruikers in staat te stellen vrij te lopen. Leijendekkers benadrukte dat het testen van de prothese buiten het lab, of dat nu thuis, op straat of in het bos is, cruciaal is om de meerwaarde ten opzichte van bestaande passieve prothesen aan te tonen. Zodra de prothese zelfstandig kan functioneren, kunnen gebruikers er buiten het laboratorium mee oefenen, wat een belangrijke stap is op weg naar certificering als medisch hulpmiddel.

Dit onderzoek maakt deel uit van het Europese SimBionics-project, een samenwerkingsverband tussen Ottobock, de Universiteit van Aalborg en het revalidatiecentrum Roessingh. Het project maakt ook deel uit van de HealthTech Nexus, een strategische samenwerking tussen het Radboudumc en de Universiteit Twente. Massimo Sartori en Ruud Leijendekkers leiden dit project, dat zich richt op het aanpakken van onvervulde behoeften in de gezondheidszorg.