Gli amputati che utilizzano caviglie protesiche motorizzate possono essere in grado di evitare i costi energetici tipicamente associati alle protesi aumentando la potenza fornita dai loro dispositivi.

Un professore di ingegneria dell'UCF ha recentemente pubblicato uno studio in Rapporti scientifici ciò dimostra che le persone con amputazioni transtibiali - la perdita di un arto sotto il ginocchio - possono migliorare la loro capacità di camminare se cambiano l'impostazione di potenza sui loro dispositivi. Hwan Choi, che ha conseguito il dottorato in ingegneria presso l'Università di Washington, è un assistente professore nel dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale dell'UCF.

Secondo uno studio condotto dal National Institutes of Health, circa 185, Ogni anno negli Stati Uniti si verificano 000 amputazioni e, secondo quanto riferito, il 49-95% degli amputati degli arti inferiori utilizza una protesi. La maggior parte di quelle sul mercato sono protesi passive. In media, gli amputati spendono fino al 30% in più di energia rispetto agli individui sani quando svolgono attività come camminare. Ciò potrebbe essere dovuto al fatto che la maggior parte delle protesi di caviglia sono elastiche passive, il che significa che possono immagazzinare e rilasciare energia quando entrano in contatto con il suolo ma non sono in grado di eseguire un lavoro netto positivo della caviglia che consente contrazioni di accorciamento muscolare. Infatti, queste protesi sono in grado di fornire solo un ottavo della potenza dei muscoli gastrocnemio e soleo intatti, i muscoli chiave che sostengono e spingono il corpo durante la camminata.

Poiché le protesi passive aumentano la domanda energetica dell'utente, gli individui possono dover compensare aumentando lo sforzo muscolare nell'arto residuo o intatto. Protesi di caviglia motorizzate, d'altra parte, utilizzare attuatori per ridurre l'aumento dei costi metabolici a carico degli amputati fornendo un lavoro positivo. BiOM (ora noto come EMPOWER), l'unica protesi di caviglia motorizzata disponibile in commercio, utilizza un display visivo che consente a chi lo indossa di regolare l'impostazione di potenza sul dispositivo. Idealmente, selezionerebbero un'impostazione di potenza tra 0% e 100% che si avvicina al meglio a quella di una caviglia sana alla velocità di camminata preferita dall'utente. Ma la domanda rimane:quanta potenza dovrebbe fornire la protesi?

Troppo poca potenza e potrebbero subire gli stessi costi metabolici di coloro che utilizzano protesi passive, ma troppo e possono verificarsi problemi come l'iperflessione del ginocchio e un maggiore assorbimento di energia nel ginocchio che può aumentare i costi metabolici dell'utente.

Choi, insieme ai coautori Kimberly Ingrahm, David Remy, Emily Gardinier, e Deanna Gates dell'Università del Michigan, testato dieci individui con amputazioni transtibiali. Hanno misurato il costo metabolico del trasporto (COT) e il lavoro netto della caviglia del BiOM a diverse impostazioni di potenza, mentre gli amputati camminavano su un tapis roulant con la caviglia BiOM.

Choi ha affermato di aver scoperto che il potere ideale che riduceva il costo metabolico era in realtà maggiore delle norme biologiche. In altre parole, l'impostazione migliore testata ha effettivamente ridotto la quantità di energia in eccesso utilizzata dal soggetto in misura maggiore rispetto all'impostazione di potenza scelta dal protesista.

"La scoperta chiave di questo studio è stata che nessuno dei soggetti aveva il costo metabolico minimo quando camminava con il lavoro o il potere di individui integri. Quando avevano un potere maggiore, poi gli individui con problemi hanno effettivamente ridotto il costo metabolico."

Tra i partecipanti, impostazioni di potenza superiori al 50% hanno comportato un COT inferiore, ma la migliore impostazione di potenza testata era in realtà superiore all'impostazione scelta dal protesista.

Infatti, in media, l'impostazione di potenza che riduceva al minimo i costi energetici corrispondeva a circa il doppio del lavoro netto della caviglia della caviglia biologica. Quindi, mentre le caviglie motorizzate possono essere più vantaggiose delle protesi passive, gli amputati possono effettivamente aumentare il loro livello di attività quando i protesisti cambiano il loro obiettivo dal raggiungimento di una cinetica biologica approssimativa della caviglia alla riduzione al minimo dei costi metabolici.

Secondo Choi, con costi metabolici ridotti al minimo, gli amputati transtibiali hanno maggiori possibilità di rimanere attivi, migliorare la loro qualità di vita, e prevenire una serie di conseguenze sulla salute, inclusi diabete e malattie cardiache.