Streszczenie Abstract Wstęp

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
[email protected]
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