Zastosowanie nowoczesnych przegubów kolanowych w protezach kończyn dolnych u pacjentów z różnym stopniem mobilności The use of advanced artificial knee in lower artificial limbs of patients with different mobility system Justyna Maksymowska justyna.maksymowska@gmail.com Streszczenie Celem pracy jest przedstawienie możliwości zastosowania nowoczesnych przegubów kolanowych u pacjentów z różna aktywnością fizyczna. Wykazano, że podział na różne stopnie mobilności, pozwala na szybkie i fachowe dobranie elementów protezy. Sztuczna kończyna dolna ma za zadanie umożliwić jak najsprawniejsze poruszanie się chorego w pozycji pionowej. Daje to możliwość powrotu funkcjonowania w życiu codziennym jak i zawodowym. Postęp technologiczny w ortopedii i wiedza z dziedziny biomechaniki chodu w protezie, pozwala na przywrócenie najbardziej naturalnego obrazu chodu. Firmy prześcigają się z coraz to nowszymi ulepszeniami elementów protezy dla podnoszenia komfortu pacjenta. Słowa kluczowe: stopień mobilności, przeguby kolanowe, protezy kończyn dolnych. Abstract The aim of this study was to present the possibilities of the use of the advanced artificial knee by the patients with different levels of physical activity. It has been proved that the different levels of patient s activity allows for the prompt and professional accommodation of the prosthesis elements. The main reason for using the lower artificial limb is to provide the patients the best manner of ambulating in the vertical position which helps them to improve their social activity. The technological advancement in the field of orthopedics as well as the better understanding of the prosthesis biomechanics help to restore the most natural manner of ambulating. Moreover, manufacturers are still presenting the competitive technology in order to produce the most comfortable prostheses for the patients. Key words: mobility system, artificial knee, lower artificial limbs. Wstęp W ujęciu nowoczesnym przegub kolanowy musi mieć konstrukcję zapewniającą stabilność w fazie podparcia [4]. Protezowy staw kolanowy jest ruchomym połączeniem leja udowego, ustawionego pionowo na goleni protezowej. Stabilizacja obciążonego leja wymaga zabezpieczenia biernego i czynnego, podobnie jak w warunkach naturalnych. Do tego celu wykorzystuje się budowę protezy oraz zachowanie dynamiczne kikuta [1]. W utrzymaniu statyki ważną rolę odgrywa mięsień pośladkowy wielki. Prostuje on tułów i jest silnym prostownikiem uda działającym w niektórych jego czynnościach dynamicznych, kontroluje też stabilizację kolana. Najlepszy moment działania w zakresie tej ostatniej czynności jest lekkie zgięcie uda, do czego dostosowuje się wyjściowe ustawienie leja protezy. U pacjentów po amputacji uda rola mięśnia pośladkowego wielkiego wzrasta, ponieważ nie działają długie mięśnie dwustanowe, przebiegające miedzy kośćmi miednicy i goleni [4]. Odpowiednia konstrukcja protezy rozwiązuje problem braku możliwości czynnej kontroli stawu kolanowego i skokowego. Dla osób starszych, mniej sprawnych, buduje się protezy
z mechaniczną blokadą stawu kolanowego przy obciążaniu kończyny, zwalnianą w pozycji siedzącej. Przy wolnym ruchu stawu kolanowego stosuje się najprostsze przeguby jednoosiowe, o czynności znacznie odbiegającej od naturalnego ruchu. By wzmocnić prostowanie goleni, wykorzystuje się wyrzutnie kolanowe [4]. Ruch ten w normalnych warunkach podlega czynnej kontroli mięśni zginaczy i prostowników kolana. Dla uzyskania płynności tego ruchu w protezie stosuje się urządzenia kontrolne (mechaniczne, hydrauliczne) wyhamowujące działanie siły bezwładności. Urządzenia te pozwalają na synchronizację ruchu w stawie kolanowym i skokowym protezy, wpływając na poprawę chodu [1]. W protezach modularnych stosuje się przeguby kolanowe policentryczne, mechaniczne albo hydrauliczne [4]. Umożliwiają rozwojowe działanie protezy. W fazie nauki można je ustawić bezpiecznie. Zaś wraz z opanowaniem chodu, dostosować do biegu i jazdy na rowerze. Nowoczesne przeguby kolanowe pozwalają na dostosowanie się do prędkości chodu pacjenta. Ze względu na unikatowe właściwości stosuje się te przeguby również u osób z niedowładem i po wyłuszczeniu w stawie biodrowym [2]. Wolny staw kolanowy w protezach stabilizuje kolano w fazie obciążania przez ustawienie stopy w pozycji lekkiego zgięcia podeszwowego (ustawienie końskie). Lej jest przesunięty ku przodowi, z kikutem w około 5 zgięciu. Zgięcie uda wzmacnia czynność mięśnia pośladkowego wielkiego. Oś mechaniczna protezy przebiega wówczas przed stawem kolanowym i pada na stawy śródstopno- paliczkowe. Takie ustawienie protezy nazywa się mechanizmem Puttiego [4]. System mobilności System mobilności jest klasyfikacją pacjenta po odjęciu kończyny. Przy protezowaniu bierze się pod uwagę podstawowe czynniki jak waga, aktywność fizyczna, oraz potrzeby pacjenta. Fizjoterapeuta, technik ortopeda może sklasyfikować stopy protezowe, przeguby kolanowe i biodrowe, ułatwiając tym indywidualny dobór elementów protezy. Podział na różne stopnie aktywności pozwala również na klasyfikację samego pacjenta na jakim poziomie się znajduje [6,7]. Wyróżniamy cztery stopnie mobilności: I STOPIEŃ. Pacjent poruszający się tylko w pomieszczeniach zamkniętych. Posiada zdolność przemieszczania się za pomocą protezy w pomieszczeniu o płaskim podłożu i z małą prędkością. Często korzystają z zaopatrzenia jak laski, kule, balkoniki. Długość pokonywanej drogi i czas poruszania się są bardzo ograniczone ze względu na stan zdrowia pacjenta. Celem terapii jest przywrócenie samodzielnego stania i poruszania się w pomieszczeniu zamkniętym. II STOPIEŃ. Pacjent z ograniczoną swobodą ruchów poruszający się na zewnątrz. Posiada zdolność poruszania się za pomocą protezy, z małą, jednakową prędkością oraz potrafi pokonać małe przeszkody (krawężniki, pojedyncze stopnie, nierówne podłoże). Czas i długość pokonywanej drogi są mocno ograniczone tak jak w pierwszym stopniu mobilności. Terapia polega na przywróceniu samodzielnego stania i poruszania się w pomieszczeniu zamkniętym i otwartym. III STOPIEŃ. Pacjent o nieograniczonej swobodzie ruchów poruszający się na zewnątrz posiada zdolność poruszania się za pomocą protezy ze średnia i dużą prędkością pokonując większość napotkanych przeszkód. Użytkownik może wykonywać czynności związane z zawodem, terapią, które nie obciążają zbytnio mechaniki protezy. Czas poruszania się i długość drogi są porównywalne z człowiekiem zdrowym, nieznacznie ograniczone. Celem jest osiągnięcie samodzielnego stania i w nieznacznym stopniu ograniczonej możliwości poruszania się na zewnątrz. IV STOPIEŃ. Pacjent o nieograniczonej swobodzie ruchów i dużych wymaganiach poruszający się na zewnątrz. Możliwość poruszania się za pomocą protezy w sposób
nieograniczony. Czas i długość pokonywanej drogi nie są limitowane. Ze względu na duże wymagania pacjenta dotyczące funkcjonalności protezy mogą pojawić się zniekształcenia, obciążenia uderzeniowe czy naprężenia. Celem terapii w tej grupie pacjentów jest przywrócenie zdolności samodzielnego stania i nieograniczonej możliwości poruszania się [6,7]. System klasyfikacji definiuje również cztery klasy ciężaru ciała: a) pacjenci o ciężarze ciała do 75 kg, b) pacjenci o ciężarze ciała do 100 kg, c) pacjenci o ciężarze ciała do 125 kg, d) pacjenci o ciężarze ciała powyżej 125 kg [7]. Przeguby kolanowe a stopień mobilności Najważniejszym elementem funkcjonalnym w protezie uda jest przegub kolanowy. Dobór zależy od indywidualnych cech pacjenta. Wywiad medyczno- techniczny jest podstawą do określenia elementów protezy. O doborze właściwych elementów i usprawnianiu pacjenta powinien decydować zespół interdyscyplinarny. Składa się z lekarza specjalisty (ortopedii lub rehabilitacji), technika ortopedy oraz fizjoterapeuty [2]. Przegub kolanowy musi odpowiadać potrzebom pacjenta, być dostosowanym do trybu życia i jego sprawności ruchowej. Wszystkie elementy w protezie powinny być rozwojowe, z możliwością wymiany na właściwsze podczas okresu używalności protezy. Istotny jest aspekt wytrzymałościowy danych elementów strukturalnych i funkcjonalnych, przede wszystkim wahania wagowe użytkownika. Obecnie na rynku polskim dostępne są wszystkie najlepsze przeguby modularne [2]. Niska aktywność U osób o niskiej aktywności fizycznej najważniejszym elementem jest bezpieczeństwo. Pacjenci preferują konstrukcje, które pozwalają na blokadę stawu natychmiast po postawieniu pięty na podłożu. Ta forma blokady jest aktywna po przeniesieniu ciężaru ciała na staw protezy. Blokada geometryczna zapewnia bezpieczeństwo po osiągnięciu pełnego wyprostu przez staw kolanowy i obciążeniu pięty właśnie wtedy, gdy staw jest wyprostowany [6]. Siedmioosiowy staw kolanowy. Przeznaczony dla osób wymagających od protezy dużej stabilności w fazie chodu i w fazie spoczynku (ryc. 1). Wykonane z aluminium stosowanego w lotnictwie. Dużą stabilność daje Blokada stawu przez odpowiednie geometryczne ustawienie elementów dodatkowo wspomagane przez wyrzutnie sprężynową. Możliwość płynnej regulacji fazy zgięcia i wyprostu. Kontrolę szybkości pracy kolana zapewnia półpłynny silikon. Pracuje zgodnie z biomechaniką fizjologicznego stawu kolanowego. W momencie obciążania, kolano uzyskuje minimalne bezpieczne zgięcie (funkcja amortyzacyjna), zmniejsza balans miednicy oraz obręczy barkowej. Zakres zgięcia wynosi 160 [3,6]. Przegub ze zintegrowaną mechaniczną wyrzutnią. Mechanizm hamowania działa przez masę ciała i wyłącza się automatycznie przy obciążeniu przodostopie. Eliminuje niefizjologiczne podnoszenie biodra. Możliwe jest osiągnięcie harmonijnego obrazu chodu przy zapewnieniu wysokiego poziomu bezpieczeństwa. Te funkcjonalne zalety mają znaczące korzyści już przy wczesnym zaopatrzeniu protezami tymczasowymi (ryc. 2). Dopuszczalny dla pacjentów o maksymalnej masie ciała nie przekraczającej 125 kg [7].
Ryc. 1. Siedmioosiowy staw kolanowy TK 1900. zapewnia naturalny i ergonomiczny chód osobom o małej i średniej aktywności. Lekki, wytrzymały i niezawodny. ryc. 2. Przegub ze zintegrowaną mechaniczną wyrzutnią Średnia aktywność Największą grupę użytkowników protez stanowią pacjenci o średnim stopniu aktywności. Zaopatrzenie protetyczne powinno dawać możliwość bezproblemowego funkcjonowania w domu i w pracy. Osoby te często spędzają cały dzień w ruchu bez większych przeciążeń. Poczucie bezpieczeństwa zależy bardziej od pacjenta niż zaopatrzenia ortopedycznego. Oczekują od protezy zdecydowanie więcej niż użytkownicy o niskiej aktywności. Przeguby kolanowe, w tej grupie użytkowników, zapewniają komfort w: chodzie ze zmienną prędkością pokonywaniu typowych przeszkód terenowych (schody, wzniesienia) pokonywaniu dużych odległości pieszych jeździe samochodem [6] Elektroniczny staw kolanowy RHEO. Przegub, w którym zastosowano oprogramowanie dostosowujące pracę kolana do potrzeb użytkownika, oraz specjalny płyn reagujący na pole magnetyczne. W zależności od natężenia zwiększa bądź zmniejsza jego gęstość. RHEO adresowane jest do użytkowników z mała, średnią i wysoką aktywnością fizyczną, nie przekraczających 125 kg. Użytkownicy mniej aktywni mogą liczyć na bezpieczeństwo. Zadowoleni z funkcji stawu będą także obustronnie amputowani oraz osoby z wyłuszczeniem w stawie biodrowym. Programowanie kolana jest niezwykle proste. Możliwa jest korekta charakterystyki pracy kolana przez palmptopa. Akumulator starcza na 48 godzin pracy i być w pełni naładowany w ciągu 2-4 godzin. Natychmiast dostosowuje staw do nowych warunków w jakich znajdzie się użytkownik (ryc. 3). Proces programowania jest niekończący się, im dłużej jest używany tym lepiej zna swojego użytkownika [6]. Pneumatyczny przegub kolanowy 3R106. Zespół pneumatyczny z łatwością kontroluję fazę wymachu. Cechą charakterystyczną jest odporność na zniszczenie, łatwość w obsłudze,
możliwość adaptacji, limit obciążenia do 100 kg, udowodnione bezpieczeństwo oraz kąt zgięcia 170 (ryc. 4). Dwukomorowy zespół pneumatyczny powoduje wzrost sprawności pomimo zachowania wysokości budowy. Możliwość tłumienia fazy wymachu i harmonijne prostowanie pozwala na osiągnięcie naturalnego obrazu chodu, przy mniejszym zużyciu energii. Indywidualne i niezależne dopasowanie tłumienia. Nowoczesna, wieloosiowa struktura stabilizuje przegub kolanowy w niezawodny sposób podczas fazy podporu. Umożliwia to uzyskanie większego odstępu od podłoża podczas fazy wymachu co zwiększa zaufanie użytkownika do całej protezy [7]. Ryc. 3. W stawie elektronicznym RHEO zastosowano pole magnetyczne, którego natężenie reguluje parametrami pracy kolana Ryc. 4. Modularny przegub kolanowy 3R106 Wysoka aktywność Poczucie bezpieczeństwa osób aktywnych jest bardzo wysoka niezależnie od zaopatrzenia w jakim funkcjonują. Sprawność pacjenta pozwala na: - poruszanie się w terenie zamkniętym i otwartym - funkcjonowanie w domu i w pracy - chód ze zmienną prędkością - bieg - pokonywanie większości przeszkód terenowych - pokonywanie dużych odległości - jazdę na rowerze - jazdę samochodem - rekreacyjne usprawnianie sportów [6].
Jednoosiowy duraluminowy hydrauliczny staw kolanowy MAUCH (ryc. 5). Niezawodność, estetyki zwiększona wytrzymałość. Przeznaczony dla osób ze zmienną aktywnością uzależnioną od trybu życia, pracy, hobby. Płynna kontrola fazy zgięcia i wyprostu oraz fazy spoczynkowej przegubu kolanowego. Oś stawu wyposażona w łożyska rolkowe. Zwiększona żywotność i niezawodność tłoka hydraulicznego. Gumowa osłona minimalizuje uszkodzenia i zabrudzenia systemu hydraulicznego. Zakres zgięcia 115 [6]. Modularny lekki przegub kolanowy 3R95. Jest mały, lekki, precyzyjny. Charakteryzuje się niewielkim ciężarem wynoszącym 360g/340g. Wyróżnia się niską budową co korzystne jest w przypadku zaopatrzenia kobiet i młodzieży (ryc. 6). Miniaturowa hydraulika dba o dynamiczny opór ruchu (optymalny obraz chodu). Nawet przy niewielkim użyciu siły zostaje osiągnięta faza wymachu, zaś przy wzrastającym zgięciu przegubu kolanowego automatycznie wzrasta tłumienie zgięcia. Poprzez hydrauliczne końcowe tłumienie możliwy jest delikatny wyprost przy zakończeniu fazy wymachu. Przeznaczony jest dla osób o wadze nie przekraczającej 75 kg i 150 kg. Kat zgięcia wynosi 135 i 155 [7]. Ryc. 5. Staw kolanowy MAUCH umożliwia naprzemienne schodzenie po schodach Ryc. 6. Modularny lekki przegub kolanowy 3R95 Aktywność bardzo wysoka Pacjenci bardzo aktywni należą do grupy użytkowników protez o najwyższej sprawności fizycznej. Zalicza się do tej grupy również osoby, które pracują w trudnych warunkach poddając zaopatrzenie protetyczne bardzo dużym obciążeniom. Dzięki swojej sprawności, poczucie bezpieczeństwa użytkowników jest zawsze bardzo wysokie niezależne od zaopatrzenia w jakim funkcjonują. Osoby o najwyższej sprawności fizycznej biegają, pokonują wszystkie przeszkody terenowe i mogą zawodowo uprawiać sport [6]. Staw kolanowy z tłokiem hydraulicznym połączony z ramą czteroosiową KX06. Dzięki tej konstrukcji staw jest bardziej wytrzymały, praca bardziej płynna i energooszczędna. Zakres zgięcia zostaje zwiększony do 160, znacznie poprawione bezpieczeństwo podczas chodzenia po schodach i po nierównościach. Przeznaczony jest dla osób bardzo wymagających,
zmieniających na co dzień bardzo często tempo i charakterystykę chodu, aktywnie uczestniczących w codziennym życiu. Możliwość płynnej regulacji fazy zgięcia i wyprostu oraz fazy spoczynkowej przegubu kolanowego (ryc. 7). System hydrauliczny pracuje w trzech trybach: bezpieczne kolano- włączony mechanizm bezpieczeństwa, wolne kolano- wyłączony mechanizm bezpieczeństwa, sztywne kolano- staw zablokowany poprzez zamek [3,6]. C-Leg- komputerowa noga. Przegub kolanowy sterowany w pełni mikroprocesorami. Komputer steruje przegubem kolanowym w czasie rzeczywistym podczas całego cyklu chodu w fazie wyrzutu i w fazie podporu. Steruje wszystkimi formami ruchu, które dla osób zdrowych są czymś zupełnie oczywistym i w znacznej części odbywają się nieświadomie [7]. Przegub kolanowy mierzy 50 razy na sekundę położenie goleni, jej prędkość kątową oraz obciążenie stopy. Sensory znajdujące się w adapterze rurowym badają położenie stopy (obciążenie piety, całej stopy, palców) i przekazują informację do przegubu. Mikroprocesor przetwarzając wszystkie dane steruje silnikami wspomagającymi zawory. Odpowiadają one za przepływ medium z odpowiednich komór. Pozwala to na niekontrolowane i swobodne poruszanie się pacjenta po różnych podłożach (np. po pochylni). Dzięki sterowaniu przez mikroprocesor, możliwe jest nieograniczone jego unowocześnianie i zmienianie jego właściwości przez wymianę oprogramowania. Przejście z ustawienia do chodzenia na jazdę na nartach, łyżworolkach, na rowerze lub stanie w pozycji relaksacyjnej następuje to przez trzykrotne, szybkie naciśnięcie na palce. Specjalne oprogramowanie umożliwia właściwe ustawienie i dostosowanie protezy do potrzeb użytkownika. Wszystkie ustawienia są pamiętane przez program w notebooku i przegubie kolanowym. Pozwala to na obiektywne i dokładne ustawienie wszystkich parametrów istotnych dla chodu pacjenta [2]. C-Leg opracowano dla zróżnicowanej grupy pacjentów. Zarówno aktywni ruchowo jak i pacjenci z potrzebą zapewnienia sobie bezpieczeństwa, nie przekraczającą masą 125 kg. Regulacja elektroniczna gwarantuje stopień bezpieczeństwa dla pacjenta jaki dotychczas nie udało się jeszcze osiągnąć (ryc. 8). Bateria litowa wystarcza na 30 godzin. Ładuje się nocą podłączając protezę do kontaktu. Szczególne zalety: wysoki poziom bezpieczeństwa i niewielkie ryzyko upadku, dynamiczna ruchomość we wszystkich kierunkach, najlepsze zbliżenie się do naturalnego chodu, mniejsze nakłady energii i zużycie tlenu, równomierne obciążenie obu kończyn dolnych- dzięki temu ochrona strony zdrowej, bezpieczeństwo w przypadku potykania się dzięki ciągłej amortyzacji fazy podporu, automatyczne dopasowanie do zmieniających się prędkości chodzenia w czasie rzeczywistym [7].
Ryc. 7. kolano RX06 przeszło wiele testów laboratoryjnych oraz w warunkach polowych. Jest najbardziej wytrzymałą konstrukcja na Świecie Ryc. 8. C-Leg- Computerized Leg Biomechanika chodu w protezie Protezy nadkolanowe musza zapewnić stabilizację kolana protezowego w fazie podporu, zgięcie i wyrzut kolana oraz przeniesienie stopy w fazie wykroku protezy. Główne obciążenie w lejach udowych przypada na guz kulszowy. Stwarza to moment obrotowy miednicy ku przodowi niwelowany odpowiednią wysokością ściany przedniej. Pozostałe siły zmieniają się zależnie od fazy chodu. W chwili uderzenia pięty z pozornym lub rzeczywistym zgięciem podeszwowym wypadkowa reakcji podłoża przypada przed osią przegubu kolanowego. Powstaje moment prostujący kolano wspomagany naciskiem brzucha na przednią ścianę leja. Przy pełnym obciążeniu protezy wypadkowa reakcji podłoża przesuwa się ku osi przegubu kolanowego, zależnie od systemu pionowania, układając się przed lub poza nią. Przy ustawieniu bezpiecznym przebiega przed osia obrotu. Zachowuje moment prostujący i bierną stabilizację kolana, wspomaganą działaniem mięśni prostowników biodra [5]. W ustawieniu wypadowym wypadkowa reakcji podłoża przebiega poza osią obrotu przegubu kolanowego. Warunkuje to powstanie momentu zginającego kolano i brak biernej stabilizacji, zastąpionej działaniem prostowników biodra. W początkowej fazie odbicia uniesienie pięty powoduje zgięcie grzbietowe stopy SACH lub zgięcie przednich stożków stopy przegubowej. Jest utrzymywana naciskiem ciała przenoszonym przez protezę wyprostowaną, powstałym skutkiem uniesienia pięty, momentem obrotowym goleni. Nacisk guza kulszowego na tylną ścianę leja inicjuje powstanie zginającego kolano momentu obrotowego uda wspomagane działaniem mięśni zginaczy stawu biodrowego
i zgięcie w przegubie kolanowym. Powoduje to uwolnienie stopy od masy ciała i zwrot nagromadzonej w niej energii drogą odprężenia przodostopie powodujące wyrzucenie zgiętej goleni ku przodowi rozpoczynające fazę wykroku protezy. Obciążenia boczne stabilizujące ciało w płaszczyźnie czołowej przypadają na boczną ścianę kikuta. Wynika to z konieczności zrównoważenia w fazie podporu momentu wychylającego momentem powstającym na końcu kikuta. Warunkuje to silna praca odwodzicieli uda, lub lej pełnokontaktowy- suma tego momentu z momentem siły podpórczej kikuta. Wynika z tego naturalna tendencja do zmniejszenia wysiłku niepełnosprawnego przez wychylenie ciała na stronę protezy. Zjawisko niepożądane [5].
Literatura [1] Dega W.: Rehabilitacja Medyczna, Wydawnictwo Lekarskie PZWL, Warszawa 1998. [2] Kiwerski J.: Rehabilitacja Medyczna, Wydawnictwo Lekarskie PZWL, Warszawa 2006. [3] Poradnik dla pacjentów po amputacji kończyn dolnych, OrtoCentrum Ltd. [4] Przeździak B.: Zaopatrzenie Rehabilitacyjne, Via Medica, Gdańsk 2003. [5] Prosnak M.: Podstawy protetyki ortopedycznej, Centrum Metodyczne Doskonalenia Nauczycieli Średniego Szkolnictwa Medycznego, Warszawa 1988. [6] www.ortocentrum.com.pl [7] www.ottobock.pl