세대 바이오닉 스포츠맨 – 평등을 위한 인공 사지

화장품과 기능성 모두에서 누락된 신체 부위를 의수로 교체( 부착에 대한 그리스어 )는 항상 필요했습니다. 현재 기술은 근육 활동을 통해 보철물을 활성화하는 근전기 센서의 도입으로 인해 팔다리의 단순한 기계적 교체를 넘어 생체 역학으로 끌어 올렸습니다. 여기서는 의수를 구성하는 재료, 특히 전자 제품보다는 스포츠용으로 설계된 재료에 중점을 둘 것입니다.

의수 진화

옛날에는 팔다리에 심각한 상처가 있는 경우 절단이 유일한 치료법이었습니다. 그러나 잃어버린 팔다리를 교체하는 일은 드물었고 귀족들만의 일이었습니다. 최초의 문서화된 보철물은 이집트에서 발견되었습니다. 그곳에는 기원전 950년경의 미라가 있었습니다. 나무와 가죽으로 만든 의수족발과 잃어버린 부분의 복제품으로 새겨진 발톱을 가진 한 귀족 여성이 발견되었습니다(그림 1) [1].

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그림 1. 기원전 959년의 에스테틱 핑거 이집트에서 발견[2].

중세 시대에 보철물은 더 기능적이 되기 시작했습니다(그림 2). 전투 중 팔을 잃은 남성은 전투 중에 방패를 놓을 수 있는 요소가 포함된 철 장치로 팔다리를 교체했습니다. 한편, 배에서 선원들은 팔뚝을 유명한 갈고리로 교체하고 다리를 나무 막대기로 교체했습니다. 두 가지 모두 선상에서 쉽게 구할 수 있는 재료였습니다.

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그림 2. 중세시대 철제 의수 [1].

최초의 기능적 보철물은 16세기 프랑스 외과의사인 Ambroise Paré가 고안했습니다. 의수에는 서 있는 동안 잠글 수 있는 구부러진 무릎과 말을 탄 프랑스 대위가 고삐를 잡고 풀 수 있는 손이 포함됩니다[3]. 17세기에 네덜란드 외과의사 Pieter Verduyn은 다리에 더 잘 부착될 뿐만 아니라 의족에 관절을 포함시켰습니다. 나중에 보철물에는 근육과 힘줄을 시뮬레이션하기 위한 스프링이 포함되었습니다. 1990년대에는 마이크로프로세서 보철물의 무릎 움직임을 제어하기 위해 도입되었습니다 , 센서가 보철물을 움직이는 근전도 자극을 기록했습니다(그림 3)[3].

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그림 3. 지난 몇 년간 대퇴골 보철물의 진화[3].

세 가지 주요 구성요소

의수는 4개의 다른 신체 부위를 대체할 수 있습니다. 위치의 결과로 이름이 지정되었습니다. trans-humeral, trans-radial, trans-tibial 및 trans-femoral. 적용 및 배치와는 별개로, 의수는 사용을 용이하게 하기 위해 가벼워야 합니다(의수 무게를 원래의 것으로 사용하는 것은 도움이 되지 않습니다. 즉, 두 팔에 대해 체중의 10% 및 30-40%) 각각 두 다리).

보철물은 보철물의 종류(심미적 또는 기능적)와 위치에 따라 일반적으로 동일하게 유지되는 세 가지 주요 구성요소(서스펜션, 파일론 및 소켓)로 구성됩니다[4].

소켓 절단단에 부착되는 의지의 일부입니다. 사용자의 편안함과 의지의 전체적인 효율성을 보장하기 위해서는 소켓이 절단단의 피부를 자극하지 않고 충격이나 힘을 전달할 수 있는 것이 필수적입니다. 소켓은 일반적으로 폴리프로필렌으로 만들어지며 이전에 사용했던 양모를 대체합니다.

정지 pylon과 소켓 사이의 접합점입니다. 파일론이 절단단에 부착된 상태를 유지하는 것은 매우 중요하며, 일반적으로 흡입 방식을 사용하여 진공을 만들고 두 부품을 부착된 상태로 유지합니다.

파일런 보철물의 핵심입니다. 일반적으로 티타늄 또는 탄소 섬유(철보다 더 탄력 있고 가벼우며 강함)로 만들어지며 과거에 사용되었던 목재를 대체합니다. 철탑은 종종 자연스러운 피부색과 일치하는 부드러운 소재로 덮여 있습니다.

스포츠에서의 의지

제2차 세계 대전 후 절단 장애인이 스포츠 활동에 참여함으로써 일상으로 돌아가 웰빙과 사회적 포용감을 높일 수 있는 기회가 되었습니다. 따라서 상실된 사지를 교체한 후 스포츠용 의수를 최적화하는 방향으로 한 걸음 더 나아갔다.

이 개발은 주로 달리기로 유명합니다. 1980년대에 더 격렬한 신체 활동을 위해 만들어진 최초의 의족 중 하나는 시애틀 발이었습니다(그림 4). 폴리우레탄 껍질로 둘러싸인 내부의 유연한 Delrin(금속과 플라스틱 사이의 특성을 지닌 결정성 플라스틱) 용골은 에너지의 일부를 반환하는 스프링 역할을 합니다[5].

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그림 4. 시애틀 발의 단면[6].

Flex-Foot(그림 5) 및 Re-Flex VSP를 사용하여 하지 절단 환자는 보다 에너지 효율적인 달리기에 도달할 수 있었습니다. 탄소 섬유의 도입은 실제로 일반 주자의 특징인 발가락에 더 많이 달릴 수 있도록 했습니다[7]. 특히 Flex-Foot는 폴리우레탄이나 폴리아세탈로 만들어진 다른 보철물에 비해 가장 높은 에너지 회수율을 보였다[5].

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그림 5. Flex-Foot 의족 [8].

최근에 남아프리카 공화국의 Oscar Pistorius라는 이름이 두 다리를 절단한 최초의 올림픽 게임에 참가한 선수가 되면서 헤드라인을 장식하고 기술 도핑에 대한 논쟁을 시작했습니다(그림 6). 스프린트 주자는 치타를 활용했습니다. , 의료 엔지니어 Van Phillips가 발명했습니다. 앞으로 나아가는 형태로 되어 있어 힐은 포함되어 있지 않습니다.

Josh McHugh[9]에 따르면, “치타는 저절로 튀어오르는 것 같습니다. 그 위에 가만히 서 있는 것도 불가능하고 천천히 움직이는 것도 어렵다. 일단 치타가 움직이면 통제하기가 매우 어렵습니다.” 그 이유는 치타가 탄소 섬유 강화 폴리머(탄소 섬유를 묶는 폴리에스터, 에폭시 또는 나일론)로 만들어지기 때문입니다. 섬유의 방향과 밀도에 따라 다른 강성 수준이 주어질 수 있습니다.

탄소 섬유는 스프링 역할을 하여 각 단계에서 운동선수의 운동 에너지를 저장 및 방출합니다. 특히 발목 관절의 역학적 작업의 음과 양의 비율은 건강한 운동선수의 0.401에 비해 치타의 경우 0.907입니다[7].

무릎의 기계적 작업은 11배, 8배 더 높았습니다. 부정적 및 긍정적인 단계에서 능력이 있는 운동선수보다 치타에서 각각.[7]. 의족의 향상된 탄성 특성으로 인해 패럴림픽 멀리뛰기 선수는 점프하는 동안 의족을 사용하여 이륙합니다.

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그림 6. 시작 시 치타 의수를 착용한 Oscar Pistorius[10].

달리는 동안 대퇴골 절단 운동 선수는 더 많은 불이익을 받습니다. 경골 경골보다 가장 큰 이유는 무릎 관절의 복잡성으로 인해 기계적으로 재생산하기 어렵다는 사실에 있습니다. 대퇴골 운동선수의 달리기는 유각기에서 가능한 쪽과 할 수 없는 쪽 사이의 최대 36%의 비대칭이 특징입니다[11]. 따라서 회복 단계에서 보철물의 가속에 영향을 미치는 관성의 문제를 해결하기 위해 다양한 솔루션이 제안되었습니다.

실행뿐만 아니라

스포츠용 의수의 진화는 달리기의 세계에만 국한되지 않습니다. 일반적으로 하지 의지는 스키와 같은 직립 자세가 필요한 스포츠에 사용되는 반면, 상지 의지는 조정이나 사이클링과 같은 스포츠에 사용됩니다. 후자에서는 팔이 주는 추진력과 안정성이 필수적입니다. 많은 스포츠에서 의수를 개조할 필요는 없지만 대부분의 경우에는 필요합니다[11].

자전거에서 , 상지의 의지가 부러지거나 기어를 변경하도록 허용해야 합니다. 표준 개폐 메커니즘으로 충분해야 합니다. 그러나 경쟁적인 사이클링의 경우 의지가 선수의 핸들 위치 변경 능력도 보장해야 합니다[11]. 산악 자전거의 경우 충격 흡수 장치가 핸들로 전달되는 승차감의 진동을 줄일 수 있습니다(그림 7).

하지의 경우 걷기와 달리기에 도움이 되는 에너지 저장 발 탄성으로 인해 적절한 추진을 허용하지 않는 사이클링의 단점을 구성합니다[11]. 일반적으로 추력을 보장하기 위해서는 정상적인 하체 의수로 충분합니다. 그러나 더 넓은 페달과 의지를 페달에 고정하기 위한 굽힘과 같은 몇 가지 조정을 고려해야 합니다.

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그림 7. 산악 자전거를 위한 상체 의수의 피스톤 적응 [12].

상지 및 하지 편측 절단 환자는 방수 의수만 있다면 일반적으로 문제 없이 수영할 수 있습니다. 그러나 효율성을 향상시키기 위해 플리퍼가 종종 sound limb의 소켓에 직접 부착되고(그림 8) sound limb의 동일한 길이에 부착됩니다[11].

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그림 8. 수영을 위한 오리발 적응 [12].

또한 Bartlett Tendon Universal Knee와 XT9는 스키에서 스노보드까지 익스트림 스포츠에 활용되는 의족입니다. 및 오토바이 . 두 의수는 사고로 팔다리를 잃은 스포츠맨에 의해 발명되었습니다.

미래

Nike, Adidas 및 기타 회사는 모두 스포츠용 의수를 개발해 왔습니다. 아디다스는 탄소 섬유, 소르보탄(폴리우레탄) 및 알루미늄 소재를 사용하여 Symbiosis 의족 라인을 만들었습니다[13]. Nike는 대신 안정성, 에너지 반환 및 회복과 같은 이점을 제공하는 Ossur의 탄소 섬유 블레이드와 인터페이스할 수 있는 의수 제작에 착수했습니다(그림 9).

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그림 9. 나이키 의수 [13].

스포츠 및 일반 사용 보철물의 가격을 낮추기 위해 3D 프린팅이 생산에 사용되었습니다. 일반 보철물과 마찬가지로 3D 인쇄 보철물은 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 아크릴 및 폴리우레탄과 같은 플라스틱으로 만들어지며 내부 파일론은 티타늄, 알루미늄 또는 탄소 섬유로 되어 있습니다.

스포츠 보철과 정상적인 사용의 미래는 골유착, 즉 티타늄을 사용하여 절단된 사람의 뼈에 직접 보철물을 부착하는 것입니다. 그러나 골유착에는 장단점이 있습니다. 소켓이 없으면 피부에 가해지는 불편함과 압력을 줄일 수 있습니다. 반면에 감염 위험이 높음 그리고 환자는 매일 지대주 피부를 관리해야 하며, 점프나 달리기와 같은 활동을 할 수 없을 가능성이 있습니다.