HealthTech Nexus met Universiteit Twente

Hoe technologie de natuurlijke loopbeweging weer mogelijk maakt de bionische voet

Binnen HealthTech Nexus, de samenwerking tussen de Universiteit Twente en het Radboudumc, werken onderzoekers aan een ‘Autonomous leg’, een bionische voet. Geen passieve prothese dus of een prothese met vooraf ingestelde beweegregels, maar een prothese die de natuurlijke voetbeweging nabootst. Het doel is dat iemand met deze prothese na amputatie van de voet weer een normaal looppatroon krijgt.  

Wie op constante snelheid een lange wandeling maakt over makkelijk begaanbaar terrein, loopt moeiteloos. Je zet stap voor stap zonder erbij na te denken en kunt ondertussen genieten van je omgeving of een gesprek voeren met degene die met je meewandelt. 'We willen weten of het mogelijk is een systeem te ontwikkelen dat dit nabootst als een voet is geamputeerd, zodat de gebruiker van de prothesevoet niet meer actief het lopen hoeft te controleren', zegt Massimo Sartori, hoogleraar neuromuscular robotics & engineering Universiteit Twente.

Dit is precies de kern van het Autonomous leg onderzoek: een bionische voet, aangestuurd door een synergetisch neuromechanisch model. Dit moet het lopen op verschillende snelheden mogelijk maken voor de gebruiker van een prothesevoet, ongeacht de aard van de prothese. Het Autonomous leg project maakt onderdeel uit van het Europese project SimBionics, gericht op neuromechanische simulatie en sensorische feedback voor de controle van een bionisch been. Dit project wordt in samenwerking gedaan met Ottobock, Aalburg Universität en Roessingh Revalidatie Techniek.

Links: Massimo Sartori, rechts: Ruud Leijendekkers

Natuurlijke voetbeweging nabootsen

'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', vertelt Sartori. 'Wij willen komen tot een model dat de natuurlijke voetbeweging nabootst. De beweging wordt aangestuurd door het ruggenmerg dat speciale centrale patroongeneratoren bevat. Zodra deze worden geactiveerd, bewegen ze op het ritme dat ze 'kennen', zoals de loopbeweging. Doordat het een 'ingesleten patroon' is, is het een automatische beweging die weinig denkwerk vraagt. In tegenstelling tot bijvoorbeeld pianospelen, waarbij de hersenen voortdurend actief moeten meewerken.

Om die motorische controle na te bootsen, maakten de onderzoekers een besturingssysteem voor een bionische voet. 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.'

Proef op loopband

In een eerste proef hebben de onderzoekers iemand met zo’n bionische voet op twee snelheden laten lopen op een loopband. Doel was in beeld te brengen hoe goed de centrale patroongeneratoren in het ruggenmerg de aansturing van die bionische voet kunnen toepassen. '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.'

Vera Kooiman, postdoc (onderzoeker) afdeling revalidatie, bekijkt resultaat met Leon Winter (patiënt)

De hardware waarbij voor dit onderzoek gebruik wordt gemaakt, is hetzelfde als bij het Mind control onderzoek. 'Het prototype was er dus al', zegt Leijendekkers. 'In de huidige fase is nog een beperking dat het Autonomous leg model voor de besturing met een kabel verbonden is aan de computer. De volgende stap is dit te kunnen loslaten, zodat de gebruiker vrij kan lopen. Dit vraagt om een kleine computer die in de prothese is verwerkt en die de spierbewegingen meet. Hierbij hoort dan een goede batterij en de sensoren die nodig zijn om het model te kunnen personaliseren.'

Testen in de thuissituatie — Uitdaging?

De belangrijkste stap die nog moet worden gezet is nu dus de loskoppeling van de computer. 'Pas als we de prothese stand alone kunnen laten functioneren, kunnen we die buiten het laboratorium gaan onderzoeken', zegt Sartori, 'in huis, op straat of misschien zelfs in het bos. Op plaatsen dus waar geen sprake is van een gecontroleerde situatie.'

'Pas dan kan worden hardgemaakt of het model echt meerwaarde heeft boven passieve prothesen', stelt Leijendekkers. 'Probleem hierbij is dat het model dan wel moet voldoen aan de eisen van de Medical Device Regulation', zegt hij. 'Het wordt immers aangemerkt als een medisch hulpmiddel op het moment dat we het uit de laboratoriumsetting halen en de gebruiker er in de thuissituatie mee laten lopen. En het is wel nodig om dit gedurende langere tijd te doen, want het is een robotisch onderdeel dat gekoppeld is aan de mens. Die heeft tijd nodig om het in zijn systeem te integreren.' Sartori: 'We kunnen alleen in de praktijk vaststellen of het signaalsysteem dat zorgt voor de aansturing van de voetbeweging na langer gebruik efficiënter wordt.'

Over Health Tech Nexus

Dit onderzoek is onderdeel van Health Tech Nexus, de strategische samenwerking tussen Radboudumc en Universiteit Twente. Samen richten zij zich op het aanpakken van nog onopgeloste vraagstukken in de zorg: dringende uitdagingen waarvoor momenteel nog geen haalbare oplossingen bestaan. In dit project Autonomous leg gaat het om de wetenschappers Massimo Sartori, hoogleraar neuromuscular robotics & engineering Universiteit Twente, en Ruud Leijendekkers, universitair hoofddocent en fysiotherapeut Radboudumc.

Voor meer informatie over SimBionics zie: Simbionics – Neuromechanical Simulation and Sensory Feedback for the Control of Bionic Legs.