Generation Bionic Sportsmen – Prothesen für die Gleichberechtigung

Sowohl aus kosmetischen als auch aus funktionalen Gründen ist der Ersatz eines fehlenden Körperteils durch eine Prothese (griechisch für Befestigung ) war schon immer eine Notwendigkeit. Die aktuelle Technologie ging über den rein mechanischen Ersatz der Extremität hinaus und erhob sie dank der Einführung myoelektrischer Sensoren zur Aktivierung der Prothese durch Muskelaktivität zum Biomechanischen. Hier konzentrieren wir uns auf die Materialien, aus denen die Prothese besteht, insbesondere auf die für den Sport, und nicht auf die Elektronik.

Entwicklung der Prothese

Früher war die Amputation die einzige Behandlung für jede schwere Wunde an einem Glied. Der Ersatz des fehlenden Gliedes war jedoch selten und Adligen vorbehalten. Die erste dokumentierte Prothese wurde in Ägypten entdeckt. Dort befindet sich eine Mumie aus der Zeit um 950 v. einer Adligen mit einer Zehenprothese aus Holz und Leder und einem geschnitzten Zehennagel als Nachbildung des fehlenden Teils gefunden (Abbildung 1) [1].

Abbildung 1. Ästhetischer Finger aus dem Jahr 959 v. in Ägypten entdeckt [2].

Während des Mittelalters begannen die Prothesen funktioneller zu werden (Abbildung 2). Männer, die während der Schlachten ihre Arme verloren hatten, bekamen ihre Gliedmaßen durch ein Gerät aus Eisen mit Elementen ersetzt, die es ihnen ermöglichten, während der Kämpfe einen Schild zu platzieren. In der Zwischenzeit wurden auf Schiffen die Unterarme der Seeleute durch den berühmten Haken und die Beine durch Holzstöcke ersetzt, beides Materialien, die an Bord leicht erhältlich sind.

Abbildung 2. Eisenprothesenarm des Mittelalters [1].

Die erste funktionelle Prothese wurde im 16. Jahrhundert vom französischen Chirurgen Ambroise Paré entwickelt. Zu den Prothesen gehörten ein gebeugtes Knie, das im Stehen arretiert werden konnte, und Hände, die es den französischen Kapitänen auf Pferden ermöglichten, ihre Zügel zu greifen und loszulassen [3]. Im 17. Jahrhundert integrierte ein niederländischer Chirurg, Pieter Verduyn, Gelenke in seine Prothese sowie eine bessere Befestigung am Bein. Später enthielt die Prothese Federn, um Muskeln und Sehnen zu simulieren. In den 1990er Jahren Mikroprozessoren wurden eingeführt, um die Kniebewegung der Prothese zu steuern , und Sensoren zeichneten den elektromyographischen Stimulus auf, der die Prothese bewegte (Abbildung 3) [3].

Abbildung 3. Entwicklung der transfemoralen Prothese in den Jahren [3].

Drei Hauptkomponenten

Die Prothese kann vier verschiedene Körperteile ersetzen nach ihrer Lage benannt:transhumeral, transradial, transtibial und transfemoral. Unabhängig von ihrer Anwendung und Platzierung müssen die Prothesen leicht sein, um ihre Verwendung zu erleichtern (es wäre nicht hilfreich, eine Prothese zu haben, die das ursprüngliche Gewicht hat, d.h. 10% und 30-40% des Körpergewichts für beide Arme und die beiden Beine).

Die Prothese besteht aus drei Hauptkomponenten (Aufhängung, Pylon und Pfanne), die im Allgemeinen bei den Prothesentypen (ästhetisch oder funktionell) und der Position gleich bleiben [4].

Die Buchse ist der Teil der Prothese, der am Stumpf befestigt wird. Um den Komfort des Benutzers und die Gesamteffizienz der Prothese zu gewährleisten, ist es wesentlich, dass der Schaft die Haut des Stumpfes nicht irritiert und den Aufprall oder die Kraft übertragen kann. Die Fassung besteht normalerweise aus Polypropylen und ersetzt die zuvor verwendete Wolle.

Die Aufhängung ist die Verbindung zwischen Pylon und Sockel. Es ist wichtig, dass der Pylon am Stumpf befestigt bleibt, und normalerweise wird eine Saugmethode verwendet, um ein Vakuum zu erzeugen und die beiden Teile befestigt zu halten.

Der Pylon ist das Herzstück der Prothese. Typischerweise wird es aus Titan- oder Kohlenstofffasern hergestellt (widerstandsfähiger, leichter und stärker als Stahl) und ersetzt das Holz, das früher verwendet wurde. Der Pylon ist oft mit weichem Material bedeckt, das der Farbe der natürlichen Haut entspricht.

Prothesen im Sport

Nach dem Zweiten Weltkrieg wurde die Teilnahme von Amputierten an sportlichen Aktivitäten zu einer Gelegenheit für sie, zur Normalität zurückzukehren und ihr Wohlbefinden und ihr Gefühl der sozialen Eingliederung zu steigern. Daher ging nach dem Ersatz des fehlenden Gliedes ein weiterer Schritt in Richtung Optimierung der Prothese für den Einsatz im Sport.

Diese Entwicklung ist vor allem fürs Laufen bekannt. In den 1980er Jahren war der Seattle-Fuß eine der ersten Prothesen, die für anstrengendere körperliche Aktivitäten entwickelt wurden (Abbildung 4). Ein interner flexibler Kiel aus Delrin (ein kristalliner Kunststoff mit Eigenschaften zwischen Metallen und Kunststoffen), der von einer Polyurethanhülle umgeben war, fungierte als Feder und gab einen Teil der Energie zurück [5].

Abbildung 4. Abschnitt des Seattle-Fußes [6].

Durch die Verwendung von Flex-Foot (Abbildung 5) und Re-Flex VSP konnten Amputierte der unteren Extremitäten ein energieeffizienteres Laufen erreichen. Die Einführung von Karbonfasern ermöglichte es tatsächlich, mehr auf den Zehen zu laufen, ein Merkmal der normalen Läufer [7]. Insbesondere der Flex-Foot zeigte das höchste Energierückgabeverhältnis im Vergleich zu anderen Prothesen aus Polyurethan oder Polyacetal [5].

Abbildung 5. Flex-Foot-Prothese [8].

Kürzlich machte der Name des Südafrikaners Oscar Pistorius Schlagzeilen, der als erster Athlet mit Doppelamputation an Olympischen Spielen teilnahm und die Debatte um technologisches Doping auslöste (Abbildung 6). Der Sprintläufer nutzte die Geparden , erfunden vom Medizintechniker Van Phillips. Ihre Form ist darauf ausgelegt, nach vorne zu gehen, und daher ist kein Absatz enthalten.

Laut Josh McHugh [9] „scheinen die Geparden von selbst zu hüpfen. Es ist unmöglich, auf ihnen still zu stehen, und es ist schwierig, sich langsam zu bewegen. Sobald sie in Gang kommen, sind Geparden extrem schwer zu kontrollieren.“ Der Grund liegt in der Tatsache, dass die Cheetahs aus kohlefaserverstärktem Polymer (als Polyester, Epoxid oder Nylon, das die Kohlefaser bindet) hergestellt sind. Je nach Richtung und Dichte der Fasern können unterschiedliche Steifigkeitsgrade erreicht werden.

Die Kohlefaser fungiert als Feder, speichert und gibt die kinetische Energie des Athleten bei jedem Schritt ab. Insbesondere beträgt das Verhältnis der mechanischen Arbeit am Sprunggelenk zwischen negativer und positiver Phase 0,907 bei den Geparden im Vergleich zu 0,401 bei gesunden Sportlern [7].

Die mechanische Arbeit im Knie war 11- bis 8-mal höher in der negativen und positiven Phase, bzw. bei den Geparden als bei den fähigen Athleten [7]. Aufgrund der verbesserten elastischen Eigenschaften der Prothese verwenden die paralympischen Weitspringer die Beinprothese, um während des Sprungs abzuheben.

Abbildung 6. Oscar Pistorius beim Start mit Cheetah-Prothese [10].

Beim Laufen haben oberschenkelamputierte Athleten mehr Nachteile als die transtibialen. Der Hauptgrund liegt darin, dass das Kniegelenk aufgrund seiner hohen Komplexität mechanisch nur schwer reproduzierbar ist. Das Laufen des Oberschenkelsportlers ist durch eine Asymmetrie von bis zu 36 % in der Schwungphase zwischen der fähigen und der nicht fähigen Seite gekennzeichnet [11]. Daher wurden verschiedene Lösungen vorgeschlagen, um das Problem der Trägheit zu beheben, die die Beschleunigung der Prothese während der Erholungsphase beeinflusst.

Nicht nur Laufen

Die Evolution der Prothesen für den Sport ist nicht auf die Welt des Laufens beschränkt. Normalerweise werden Prothesen für die unteren Extremitäten bei Sportarten verwendet, die eine aufrechte Position erfordern, wie Skifahren, während Prothesen für die oberen Extremitäten für Sportarten wie Rudern oder Radfahren verwendet werden Bei letzterem sind der Vortrieb und die Stabilität, die durch die Arme gegeben werden, wesentlich. Bei vielen Sportarten ist eine Anpassung der Prothese für deren Ausübung nicht notwendig, in den meisten Fällen jedoch [11].

Beim Radfahren , muss die Prothese der oberen Extremität brechen und die Gänge wechseln können. Ein Standard-Öffnungs-/Schließmechanismus sollte ausreichen. Im Wettkampfradsport sollte die Prothese jedoch auch die Möglichkeit des Positionswechsels am Griff des Sportlers gewährleisten [11]. Beim Mountainbiken kann ein Stoßdämpfer die Vibrationen der Fahrt verringern, die auf den Griff übertragen werden (Abbildung 7).

Für die untere Extremität die energiespeichernden Füße, die beim Gehen und Laufen hilfreich sind stellen beim Radfahren einen Nachteil dar, da sie aufgrund ihrer Elastizität keinen richtigen Vortrieb zulassen [11]. In der Regel reicht eine normale Unterkörperprothese aus, um den Schub zu gewährleisten. Dennoch müssen einige Anpassungen berücksichtigt werden, wie z. B. ein breiteres Pedal und Biegungen, um die Prothese am Pedal zu befestigen.

Abbildung 7. Kolbenadaption einer Oberkörperprothese beim Mountainbiken [12].

Einseitig Amputierte der oberen und unteren Extremitäten können in der Regel problemlos schwimmen, solange es sich um wasserdichte Prothesen handelt. Um deren Effizienz zu verbessern, wird jedoch häufig ein Flipper direkt an der Pfanne des gesunden Schenkels (Abbildung 8) und auf gleicher Länge des gesunden Schenkels angebracht [11].

Abbildung 8. Flossenanpassung zum Schwimmen [12].

Darüber hinaus sind das Bartlett Tendon Universal Knee und das XT9 Prothesen, die in Extremsportarten verwendet werden, vom Skifahren bis zum Snowboarden und Motorradfahren . Beide Prothesen wurden von Sportlern erfunden, die bei Unfällen ihre Gliedmaßen verloren haben.

Die Zukunft

Nike, Adidas und andere Unternehmen haben ihre Prothesen für den Sport entwickelt. Adidas hat die Symbiosis-Prothesenlinie entwickelt, bei der Materialien wie Kohlefaser, Sorbothan (ein Polyurethan) und Aluminium verwendet wurden [13]. Nike bewegte sich stattdessen in der Entwicklung von Prothesen, die mit der Kohlefaserklinge von Ossur zusammenwirken und Vorteile wie Stabilität, Energierückgabe und Erholung bieten (Abbildung 9).

Abbildung 9. Nike-Prothese [13].

Um den Preis der Sport- und Normalgebrauchsprothesen zu senken, wurde bei ihrer Herstellung 3D-Druck eingesetzt. Genau wie normale Prothesen bestehen 3D-gedruckte Prothesen aus Kunststoffen wie Polypropylen, Polyethylen, Acryl und Polyurethan mit einem inneren Pylon aus Titan, Aluminium oder Kohlefaser.

Die Zukunft der Sportprothetik und des normalen Gebrauchs scheint in der Osteointegration zu liegen, also der Befestigung der Prothese direkt im Knochen des Amputierten mittels Titan. Die Osteointegration hat jedoch Vor- und Nachteile. Das Fehlen des Schafts ermöglicht es, das Unbehagen und den Druck auf der Haut zu verringern. Auf der anderen Seite ist das Infektionsrisiko hoch und der Patient sollte sich täglich um den Abutment-Hautbereich kümmern, mit der Möglichkeit, Aktivitäten wie Springen oder Laufen nicht ausführen zu können.

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