ジェネレーションバイオニックスポーツマン–平等のための義肢

化粧品と機能の両方について、不足している体の部分をプロテーゼに交換します（ギリシャ語でアタッチメント ）常に必要でした。現在の技術は、筋肉の活動を通じて義肢を活性化するための筋電センサーの導入のおかげで、手足の単なる機械的な交換を超えて、それを生体力学的に高めました。ここでは、プロテーゼを構成する材料、特に電子機器ではなくスポーツ用に設計された材料に焦点を当てます。

プロテーゼの進化

昔は、切断は手足の重傷の唯一の治療法でした。 しかし、行方不明の手足の交換はまれであり、貴族のために予約されていました。最初に文書化されたプロテーゼはエジプトで発見されました。そこでは、紀元前950年頃のミイラがいます。木と革の義足のつま先と、欠けている部分のレプリカとして彫られた足の指を持った貴婦人の姿が見つかりました（図1）[1]。

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図1.紀元前959年の審美的な指エジプトで発見[2]。

中年になると、プロテーゼはより機能的になり始めました（図2）。戦闘中に腕を失った男性は、戦闘中に盾を置くことができる要素を備えた鉄の装置に手足を交換しました。一方、船では、船員は前腕を有名なフックに、脚を木の棒に置き換えました。どちらの材料も船上で簡単に入手できます。

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図2.中年の鉄製義手[1]。

最初の機能的なプロテーゼは、16世紀にフランスの外科医アンブロワーズパレによって考案されました。義足には、立ったままロックできる曲がった膝と、馬に乗ったフランスの船長が手綱を握って解放できるようにする手が含まれていました[3]。 17世紀、オランダの外科医であるPieter Verduynは、義足に関節を含め、脚への取り付けを改善しました。その後、プロテーゼには筋肉と腱をシミュレートするためのバネが含まれていました。 1990年代、マイクロプロセッサ プロテーゼの膝の動きを制御するために導入されました 、およびセンサーは、プロテーゼを動かす筋電図刺激を記録しました（図3）[3]。

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図3.数年間の経大腿プロテーゼの進化[3]。

3つの主要コンポーネント

プロテーゼは4つの異なる体の部分を置き換えることができます それらの場所の結果として名前が付けられました：上腕骨、放射状、脛骨、大腿骨。義肢は、その用途や配置とは関係なく、使用しやすいように軽量である必要があります（義肢を元の肢と同じように重量を量るのは役に立ちません。つまり、2本の腕の体重の10％と30〜40％であり、それぞれ2本の足）。

プロテーゼは3つの主要コンポーネント（サスペンション、パイロン、ソケット）で構成されており、プロテーゼのタイプ（審美的または機能的）と場所の間で一般的に同じです[4]。

ソケット 残りの肢に付着するプロテーゼの一部です。ユーザーの快適さとプロテーゼの全体的な効率を保証するために、ソケットが残りの手足の皮膚を刺激せず、衝撃や力を伝達できることが不可欠です。ソケットは通常、以前に使用されていたウールの代わりにポリプロピレンで作られています。

停止 パイロンとソケットの間の接合部です。パイロンを残りの手足に取り付けたままにすることは非常に重要であり、通常、吸引法を使用して真空を作り、2つの部分を取り付けたままにします。

パイロン プロテーゼの中核です。通常、チタンまたは炭素繊維（鋼よりも弾力性があり、軽く、強度が高い）から作られ、昔使用されていた木材に取って代わります。パイロンは、自然な肌の色と一致する柔らかい素材で覆われていることがよくあります。

スポーツにおける義肢

第二次世界大戦後、スポーツ活動への切断者の関与は、彼らが正常に戻る機会となり、彼らの幸福と社会的包摂感を高めました。したがって、失われた手足を交換した後、スポーツで使用するための義肢の最適化の方向にさらなるステップが進みました。

この開発は主にランニングで有名です。 1980年代に、より激しい身体活動のために作成された最初の義足の1つは、シアトルの足でした（図4）。ポリウレタンシェルで囲まれた内部の柔軟なデルリン（金属とプラスチックの間に特徴を持つ結晶性プラスチック）キールは、エネルギーの一部を返すばねとして機能しました[5]。

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図4.シアトルの足の断面[6]。

Flex-Foot（図5）とRe-Flex VSPを利用して、下肢切断者はよりエネルギー効率の高いランニングに到達することができました。カーボンファイバーの導入により、実際、通常のランナーの特徴であるつま先でより多く走ることができました[7]。特に、Flex-Footは、ポリウレタンまたはポリアセタールで作られた他のプロテーゼと比較して、最も高いエネルギーリターン率を示しました[5]。

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図5.フレックスフットプロテーゼ[8]。

最近、南アフリカのオスカーピストリウスの名前が話題になり、オリンピックに出場した最初の二肢切断選手であり、技術的ドーピングについての議論が始まりました（図6）。スプリントランナーはチーターを利用しました 、医療エンジニアのヴァンフィリップスによって発明されました。それらの形状は前進するように設計されているため、ヒールは含まれていません。

Josh McHugh [9]によると、「チーターは自分たちの意志で跳ね返っているようです。それらの上にじっと立つことは不可能であり、ゆっくりと動くことは困難です。一旦彼らが行くと、チーターはコントロールするのが非常に難しいです。」その理由は、チーターが炭素繊維強化ポリマー（炭素繊維を結合しているポリエステル、エポキシ、またはナイロンなど）で作られているという事実にあります。繊維の方向と密度に応じて、さまざまな剛性レベルを指定できます。

カーボンファイバーはバネとして機能し、各ステップでアスリートの運動エネルギーを蓄え、放出します。特に、負相と正相の間の足首関節の機械的仕事の比率は、健康なアスリートの0.401と比較して、チーターでは0.907です[7]。

膝の機械的仕事は11倍と8倍高かった ネガティブフェーズとポジティブフェーズ それぞれ、有能なアスリートよりもチーターで[7]。人工肢の強化された弾性特性により、パラリンピアンロングジャンパーは義足を使用してジャンプ中に離陸します。

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図6.チータープロテーゼを装着し始めたオスカーピストリウス[10]。

ランニング中、大腿切断者のアスリートにはさらに不利な点があります 脛骨を介したものより。 主な理由は、膝関節は複雑さが高いため、機械的に再現するのが難しいという事実にあります。大腿骨を介したアスリートのランニングは、有能側と無能側の間のスイングフェーズで最大36％の非対称性が特徴です[11]。したがって、回復段階でのプロテーゼの加速に影響を与える慣性の問題を解決するために、さまざまな解決策が提案されています。

実行中だけではありません

スポーツ用の義足の進化は、ランニングの世界に限定されていません。通常、下肢義足はスキーなどの直立姿勢が必要なスポーツで使用され、上肢義足はボートやサイクリングなどのスポーツで使用されます。 後者では、腕によって与えられる推進力と安定性が不可欠です。多くのスポーツでは、義肢を装着する必要はありませんが、ほとんどの場合[11]です。

サイクリング 、上肢の義足は、ギアを壊して変更することを許可する必要があります。標準の開閉機構で十分です。ただし、競争力のあるサイクリングの場合、プロテーゼはアスリートがハンドル上の位置を変更できることも保証する必要があります[11]。マウンテンバイクの場合、ショックアブソーバーはハンドルに伝わる乗り物の振動を減らすことができます（図7）。

下肢の場合、ウォーキングとランニングに役立つエネルギーを蓄える足 サイクリングでは不利になり、弾力性があるため適切な推進力が得られません[11]。一般的に、推力を保証するには、通常の下半身プロテーゼで十分です。それでも、義足をペダルに固定するための幅の広いペダルや曲がりなど、いくつかの適応を考慮する必要があります。

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図7.マウンテンバイク用の上半身プロテーゼのピストン適応[12]。

上肢と下肢の片側切断者は、防水義足である限り、通常は問題なく泳ぐことができます。 ただし、効率を上げるために、フリッパーは音の肢のソケットに直接取り付けられ（図8）、同じ長さの音の肢に取り付けられることがよくあります[11]。

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図8.水泳のためのフリッパーの適応[12]。

さらに、バートレット腱ユニバーサルニーとXT9は、スキーからスノーボードまでのエクストリームスポーツで使用される義肢です。 およびモーターバイク 。どちらの義足も、事故で手足を失ったスポーツマンによって発明されました。

未来

ナイキ、アディダス、および他の企業も同様に、スポーツ用のプロテーゼを開発しています。アディダスは、炭素繊維、ソルボタン（ポリウレタン）、アルミニウムなどの素材を利用して、共生補綴ラインを作成しました[13]。ナイキは代わりに、オズールの炭素繊維ブレードとインターフェースできる補綴物の作成に取り組み、安定性、エネルギーの回収、回復などの利点を提供しました（図9）。

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図9.ナイキプロテーゼ[13]。

スポーツおよび通常使用のプロテーゼの価格を下げるために、3Dプリントがそれらの製造に採用されています。通常の補綴物と同様に、3D印刷された補綴物は、ポリプロピレン、ポリエチレン、アクリル、ポリウレタンなどのプラスチックでできており、チタン、アルミニウム、または炭素繊維の内側のパイロンが付いています。

スポーツプロテーゼと通常の使用の将来は、オッセオインテグレーション、つまりチタンを使用して切断者の骨に直接プロテーゼを取り付けることにあるようです。ただし、オッセオインテグレーションには長所と短所があります。ソケットがないため、皮膚への不快感や圧力を軽減できます。 一方、感染のリスクは高いです 患者は、ジャンプやランニングなどの活動ができない可能性があるため、アバットメントの皮膚領域を毎日ケアする必要があります。