Amputerade som använder motoriserade fotlederproteser kanske kan undvika de energikostnader som vanligtvis är förknippade med proteser genom att öka kraften från deras enheter.

En UCF-ingenjörsprofessor publicerade nyligen en studie i Vetenskapliga rapporter som visar att personer med transtibial amputationer - förlust av en lem under knät - kan förbättra sin gångförmåga om de ändrar effektinställningen på sina enheter. Hwan Choi, som tog sin doktorsexamen i teknik från University of Washington, är biträdande professor vid UCF-avdelningen för maskin- och rymdteknik.

Enligt en studie utförd av National Institutes of Health, cirka 185, 000 amputationer sker i USA varje år och 49-95 % av de amputerade i de nedre extremiteterna använder enligt uppgift en protes. De flesta på marknaden är passiva proteser. I genomsnitt, Amputerade spenderar upp till 30 % mer energi än personer utan funktionsnedsättning när de utför uppgifter som att gå. Detta kan bero på att de flesta fotledsproteser är passivt-elastiska, vilket innebär att de kan lagra och frigöra energi när de kommer i kontakt med marken men inte kan utföra positivt nettoankelarbete som gör att muskelförkortande sammandragningar kan inträffa. Faktiskt, dessa proteser kan bara ge en åttondel av kraften hos de intakta gastrocnemius- och soleusmusklerna, nyckelmusklerna som stödjer och driver kroppen under gång.

Eftersom passiva proteser ökar det energiska kravet på användaren, individer kan behöva kompensera genom att öka muskelansträngningen i den kvarvarande eller intakta extremiteten. Motordrivna fotledsproteser, å andra sidan, använda ställdon för att minska de ökade metaboliska kostnaderna för amputerade genom att leverera positivt arbete. BiOM (nu känd som EMPOWER), den enda kommersiellt tillgängliga drivna fotledsprotesen, använder en visuell display som gör att bäraren kan ställa in ströminställningen på enheten. Helst de skulle välja en effektinställning mellan 0 % och 100 % som bäst approximerar den för en frisk fotled vid användarens föredragna gånghastighet. Men frågan kvarstår:hur mycket kraft ska protesen ge?

För lite kraft och de kan uppleva samma metaboliska kostnader som de som använder passiva proteser, men för mycket och de kan uppleva problem som knähyperflexion och ökat energiupptag i knät som kan höja de metabola kostnaderna för användaren.

Choi, tillsammans med medförfattarna Kimberly Ingrahm, David Remy, Emily Gardinier, och Deanna Gates från University of Michigan, testade tio individer med transtibial amputationer. De mätte den metaboliska transportkostnaden (COT) och BiOM:s nettoankelarbete vid olika effektinställningar, medan de amputerade gick på ett löpband med BiOM-vristen.

Choi sa att de upptäckte att den idealiska kraften som minskade metabola kostnader faktiskt var större än biologiska normer. Med andra ord, den bäst testade inställningen minskade faktiskt mängden överskottsenergi som användes av försökspersonen mer än den effektinställning som protesläkaren valt.

"Det viktigaste resultatet av denna studie var att ingen av försökspersonerna hade den lägsta metabola kostnaden när de går med opåverkade individer arbete eller kraft. När de hade större kraft, sedan minskade de nedsatta individerna faktiskt metabola kostnader."

Bland deltagarna, effektinställningar större än 50 % resulterade i lägre COT, men den bäst testade effektinställningen var faktiskt högre än den valda inställningen av protesläkare.

Faktiskt, i genomsnitt, effektinställningen som minimerade energikostnaderna motsvarade ungefär det dubbla nettoankelarbetet för den biologiska fotleden. Så även om drivna fotleder kan vara mer fördelaktiga än passiva proteser, Amputerade kan faktiskt öka sin aktivitetsnivå när protesläkare ändrar sitt mål från att uppnå ungefärlig biologisk fotledskinetik till att minimera metabola kostnader.

Enligt Choi, med minimerade metabola kostnader, transtibial amputerade har större chans att förbli aktiva, förbättra deras livskvalitet, och förebygga ett antal hälsokonsekvenser, inklusive diabetes och hjärtsjukdomar.