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La conception prothétique du genou représente l'un des défis les plus complexes de l'ingénierie biomédicale moderne, exigeant une compréhension approfondie des principes biomécaniques pour créer des dispositifs qui rétablissent la mobilité, la stabilité et la qualité de vie des personnes ayant une amputation transfémorale.Les genoux prothétiques sont des dispositifs médicaux de pointe qui utilisent des mécanismes et des composants mécaniques pour simuler la fonction biologique normale du genou pour les personnes ayant une amputation transfémorale.

La biomécanique fondamentale du genou humain

Pour comprendre la conception prothétique du genou, il faut d'abord apprécier la complexité remarquable de l'articulation biologique du genou. Le genou naturel sert de lien critique dans la chaîne cinétique de la locomotion humaine, fournissant à la fois stabilité pendant les activités de port de poids et mobilité pendant les mouvements.

Le genou biologique exerce simultanément plusieurs fonctions biomécaniques essentielles. Il doit supporter le poids corporel pendant la phase de posture de la démarche, absorber les chocs pendant la frappe au talon, faciliter la progression vers l'avant en marchant et permettre des ajustements rapides pour changer le terrain et la vitesse de marche.

Comme les composants prothétiques manquent de muscles et de rétroaction sensorielle, la conception prothétique repose sur l'alignement mécanique, les propriétés matérielles et la géométrie pour reproduire ces fonctions aussi efficacement que possible.Cette limitation fondamentale conduit à l'innovation dans la technologie prothétique du genou, les ingénieurs travaillant à compenser l'absence de systèmes de contrôle biologique grâce à des solutions mécaniques et électroniques de plus en plus sophistiquées.

Défis biomécaniques dans la conception de genou prothétique

Les mécanismes mécaniques sont liés à la performance de marche perçue, y compris l'évitement des chutes, l'absorption des chocs et la symétrie de la démarche.

Stabilité de la phase de stabilité

L'un des défis biomécaniques les plus critiques dans la conception prothétique du genou est d'assurer une stabilité adéquate pendant la phase de posture de la démarche. La phase de posture commence lorsque le pied contacte le sol à la frappe du talon et continue jusqu'à ce que le pied se détache, ce qui représente environ 60% du cycle de la démarche pendant la marche normale.

Le genou biologique atteint la stabilité de position par un contrôle musculaire actif, en particulier du groupe musculaire des quadriceps. En l'absence de ce contrôle musculaire, les genoux prothétiques doivent compter sur des systèmes mécaniques ou électroniques pour assurer une stabilité équivalente. Ce défi devient particulièrement aigu lors d'activités telles que des rampes descendantes ou des escaliers, où les forces gravitationnelles tendent à favoriser la flexion du genou aux moments précis où la stabilité est la plus critique.

Flexion de la position précoce et absorption des chocs

Alors que l'amputé transfère du poids à la prothèse en phase de posture précoce, le genou se fléchit progressivement jusqu'à 15 degrés, amortissant ainsi l'impact de l'acceptation du poids. Ce mécanisme de flexion de la posture précoce (ESF) remplit de multiples fonctions biomécaniques importantes. Il absorbe les chocs pendant la frappe au talon, réduisant les forces d'impact transmises par la prothèse au membre résiduel et au reste du corps. Il contribue également à un comportement plus naturel et plus énergétique en mimant la légère flexion du genou qui se produit naturellement pendant la phase de réponse de charge de la marche normale.

Le défi de la conception des mécanismes du FSE consiste à équilibrer l'absorption des chocs avec la stabilité. Le genou doit suffisamment fléchir pour fournir un amortissement adéquat, mais pas tellement pour compromettre le sentiment de sécurité de l'utilisateur ou augmenter le risque de swing. De plus, le mécanisme du FSE doit être soigneusement calibré en fonction du poids, de la vitesse de marche et du niveau d'activité de l'utilisateur pour offrir des performances optimales dans une série de conditions.

Contrôle de phase de l'échangisme

La phase de balancement de la démarche commence lorsque le pied quitte le sol et continue jusqu'à la prochaine frappe du talon. Pendant cette phase, le genou prothétique doit fléchir pour permettre au pied de dégager le sol, puis s'étendre en douceur pour se préparer à la prochaine phase de posture. Le défi biomécanique consiste à contrôler à la fois la vitesse et l'étendue de la flexion et de l'extension du genou pour correspondre à la vitesse de marche et à la cadence de l'utilisateur.

Dans la démarche biologique, le mouvement du genou en phase oscillante est contrôlé par un jeu complexe de forces musculaires, de l'élan et des effets gravitationnels. Les genoux prothétiques doivent reproduire ce mouvement naturel en utilisant des systèmes de commande mécaniques ou électroniques. Le genou doit se fléchir assez rapidement pour fournir une garde au sol adéquate, mais pas si rapidement qu'il crée un motif de démarche contre nature ou inconfortable.

Adaptation aux vitesses variables du terrain et de la marche

La biomécanique des marches de rampes est souvent négligée. Pourtant, la capacité d'adaptation à différents terrains et vitesses de marche représente l'un des défis biomécaniques les plus importants dans la conception prothèse du genou.

La montée en hauteur exige une force et une stabilité accrues, tandis que la descente en descente exige un contrôle de la flexion amélioré pour empêcher le genou de se serrer sous les forces gravitationnelles accrues. La descente en hauteur est particulièrement difficile, car elle nécessite une flexion contrôlée du genou tout en soutenant le poids corporel, tâche que le genou biologique accomplit par contraction des quadripes excentriques, mais que les genoux prothétiques doivent accomplir par des moyens mécaniques ou électroniques.

Composants mécaniques de base et leurs fonctions biomécaniques

Les genoux prothétiques intègrent différents composants mécaniques, chacun conçu pour répondre à des exigences biomécaniques spécifiques. Comprendre comment ces composants fonctionnent ensemble fournit un aperçu de l'ingénierie sophistiquée derrière les systèmes modernes de genou prothétique.

Configuration de l'axe de joint

La configuration de l'axe de l'articulation du genou détermine fondamentalement comment le genou prothèse se déplace et assure la stabilité. Les genoux monoaxe disposent d'un simple mécanisme de charnière avec un centre de rotation, semblable à une charnière de porte. Cette conception offre simplicité et durabilité mais ne peut pas reproduire complètement le mouvement complexe du genou biologique, qui implique en fait une combinaison de mouvements de roulement et de glissement.

Les genoux polycentriques, par contre, intègrent plusieurs axes de rotation pour une cinématique plus proche de la nature du genou. Ces conceptions disposent généralement d'un mécanisme de liaison à quatre barres qui crée un centre de rotation instantané qui change dans toute la gamme de mouvements. Cette configuration offre plusieurs avantages biomécaniques, y compris une meilleure stabilité lors de la position précoce, une meilleure garde au sol pendant la phase de basculement et un modèle de démarche plus naturel.

Systèmes de résistance et d'ébarbage

Les systèmes de résistance et d'amortissement contrôlent le taux de flexion et d'extension du genou, jouant un rôle crucial dans la stabilité de la position et la commande de la phase de basculement. Ces systèmes peuvent être classés en grandes catégories selon les caractéristiques biomécaniques, pneumatiques, hydrauliques et magnétorhéologiques.

Les systèmes à friction utilisent des mécanismes de friction réglables pour assurer une résistance constante au mouvement du genou. Bien que simples et fiables, ces systèmes ne peuvent s'adapter aux changements de vitesse ou de terrain de marche, limitant potentiellement leur efficacité biomécanique à travers diverses activités.

Les systèmes pneumatiques utilisent l'air comprimé pour fournir une résistance variable au mouvement du genou. Ces systèmes peuvent être conçus pour fournir différents niveaux de résistance pendant la flexion et l'extension, permettant un contrôle plus sophistiqué du mouvement du genou.

Les systèmes hydrauliques utilisent des robinets et des chambres pour contrôler le mouvement du genou. Ces systèmes offrent d'excellentes caractéristiques de contrôle et peuvent être conçus pour assurer un amortissement dépendant de la vitesse, ce qui signifie que la résistance augmente lorsque le genou se déplace plus rapidement.

Mécanismes d'aide à la prolongation

Les mécanismes d'aide à l'extension aident le genou prothèse à s'étendre pendant la phase de swing tardif, en préparant la prochaine frappe du talon. Ces mécanismes utilisent généralement des ressorts ou des bandes élastiques pour stocker l'énergie pendant la flexion du genou et le libérer pendant l'extension.

La conception des mécanismes d'aide à l'extension doit équilibrer plusieurs facteurs concurrents. Une force d'aide suffisante est nécessaire pour assurer une extension fiable du genou, mais une force excessive peut provoquer une extension trop rapide ou trop forte du genou, créant un motif de démarche non naturelle ou même entraînant une hyperextend du genou.

Structures de transmission de poids et de charge

La transmission de la charge implique de comprendre comment la force est répartie par la prothèse pour éviter une pression excessive sur les membres résiduels. Les composants structuraux du genou prothèse doivent être conçus pour transmettre en toute sécurité les forces de la prise par le mécanisme du genou au pied prothèse et finalement au sol.

Ces structures porteuses doivent être suffisamment solides pour supporter plusieurs fois le poids corporel pendant des activités telles que la course ou la descente des escaliers, mais suffisamment légères pour minimiser le coût métabolique de l'oscillation du membre prothèse. Des matériaux comme le titane et la fibre de carbone sont utilisés pour leurs rapports résistance-poids, améliorant la durabilité et la facilité d'utilisation. La géométrie de ces structures affecte également l'alignement biomécanique de la prothèse, influençant des facteurs tels que les caractéristiques de stabilité du genou et le modèle de démarche de l'utilisateur.

Types de genou prothétique et leurs caractéristiques biomécaniques

Les genoux prothétiques peuvent être classés en plusieurs catégories en fonction de leurs mécanismes de contrôle et de leur sophistication technologique. Chaque type offre des caractéristiques biomécaniques distinctes adaptées aux différents besoins et niveaux d'activité des utilisateurs.

Tôles mécaniques

Les genoux mécaniques sont généralement contrôlés par un verrou mécanique, un frottement ou des fluides pneumatiques ou hydrauliques. Ces genoux représentent l'approche traditionnelle de la conception prothèse du genou et restent largement utilisés en raison de leur fiabilité, durabilité et coût inférieur par rapport aux technologies plus avancées.

Les genoux de verrouillage manuel offrent une stabilité maximale en permettant à l'utilisateur de verrouiller le genou en extension complète. Cette conception est particulièrement adaptée aux utilisateurs avec une force ou un équilibre limités, car elle élimine le risque de serpillement du genou pendant la phase de posture.

Les genoux de commande de position activés par le poids utilisent le poids corporel de l'utilisateur pour verrouiller ou stabiliser automatiquement le genou pendant la phase de position. Ces genoux comportent généralement un mécanisme de freinage qui s'engage lorsque le poids est appliqué à la prothèse et se libère lorsque le poids est enlevé. Souvent, seul le poids corporel est utilisé pour activer le mécanisme de commande de position, ce qui conduit à un modèle de marche moins naturel.

Les genoux passifs sont légers et économes en énergie, car les mécanismes et les composants sont très adaptés à la biomécanique de marche. Les genoux à friction constante utilisent la friction réglable pour fournir une résistance au mouvement du genou tout au long du cycle de marche. Le prothésiste peut ajuster le niveau de friction en fonction de la vitesse de marche et du niveau d'activité de l'utilisateur.

Brouillards hydrauliques et pneumatiques

Les genoux hydrauliques et pneumatiques représentent une avancée significative dans la technologie prothèse du genou, offrant une résistance dépendante de la vitesse qui s'adapte à la vitesse de marche de l'utilisateur. Ces genoux utilisent le fluide ou l'air de débit à travers des valves pour contrôler le mouvement du genou, avec la résistance augmente automatiquement lorsque le genou se déplace plus rapidement.

L'avantage biomécanique de la résistance à la vitesse est considérable. Pendant la marche lente, le genou offre moins de résistance, permettant un mouvement facile et lisse. Avec la vitesse de marche augmente, la résistance augmente automatiquement, empêchant le genou de pivoter trop rapidement et aidant à maintenir un modèle de démarche naturelle. Cette caractéristique adaptative permet aux utilisateurs de varier leur vitesse de marche plus naturellement que possible avec des genoux à friction constante.

Lorsque les commandes sont correctement contrôlées, les commandes hydrauliques ou pneumatiques de la phase de bascule permettent au prothèse de régler un rythme réglé à l'amputé individuel, du très lent au rythme de marche. Certains genoux hydrauliques avancés assurent également le contrôle de la phase de position, en utilisant la résistance hydraulique pour fournir une flexion contrôlée pendant la position initiale pour l'absorption des chocs tout en maintenant la stabilité pendant le reste de la phase de position.

Knees contrôlés par un microprocesseur

Les genoux microprocesseurs, parfois appelés genoux contrôlés par ordinateur, utilisent une technologie qui offre une marche plus sûre avec moins d'effort, ce qui facilite la navigation sur les collines, les rampes et les terrains inégaux avec une plus grande stabilité.Ces dispositifs sophistiqués représentent l'état actuel de la technologie prothèse du genou, intégrant des capteurs, des microprocesseurs et des algorithmes de contrôle avancés pour fournir une adaptation en temps réel aux conditions de la démarche et de l'environnement de l'utilisateur.

Systèmes de capteurs et acquisition de données

Les capteurs à l'intérieur des genoux microprocesseurs recueillent constamment des données de mouvement et de timing, que les genoux interprètent ensuite pour effectuer les réglages nécessaires.Ces capteurs comprennent généralement des capteurs de moment qui mesurent les forces et les couples agissant sur l'articulation du genou, des capteurs d'angle qui suivent la position du genou tout au long du cycle de la démarche et des accéléromètres qui détectent les changements de vitesse et d'orientation.

Les données biomécaniques recueillies par ces capteurs donnent une image complète de la démarche de l'utilisateur en temps réel. En analysant les modèles de ces données, le microprocesseur peut identifier la phase de démarche de l'utilisateur, prévoir ce qui se passera ensuite et ajuster la résistance du genou en conséquence. Ce cycle de surveillance et d'ajustement continus se produit plusieurs fois par seconde, permettant au genou de réagir presque instantanément aux changements du mouvement ou de l'environnement de l'utilisateur.

Algorithmes de contrôle et réponse adaptative

Les algorithmes de contrôle des genoux de microprocesseur représentent des applications sophistiquées de principes biomécaniques et de théorie de contrôle. Ces algorithmes doivent traiter les données des capteurs en temps réel, identifier la phase actuelle de la démarche, prévoir les événements à venir et ajuster les propriétés mécaniques du genou en conséquence.

Les MPK Ottobock surveillent continuellement les phases de votre démarche, s'ajustant en temps réel pour vous soutenir lorsque vous accélérez ou ralentissez. Cette capacité d'adaptation représente un avantage biomécanique fondamental sur les genoux mécaniques. Le microprocesseur peut ajuster la résistance du genou pour correspondre à la vitesse de marche de l'utilisateur, fournir une stabilité accrue lors de rampes ou d'escaliers descendants, et même détecter des trébuchements et augmenter automatiquement la résistance pour aider à prévenir les chutes.

Contrôle de phase de la stance dans les microprocesseurs à genoux

Pendant la phase de position, les genoux microprocesseurs surveillent en permanence les forces agissant sur l'articulation du genou et règlent la résistance hydraulique pour assurer une stabilité optimale. Lorsque le genou détecte que l'utilisateur est debout ou marche sur un sol en palier, il offre une résistance élevée pour empêcher la flexion indésirable. Lorsqu'il descend une rampe ou un escalier, le genou peut fournir une flexion contrôlée, permettant à l'utilisateur de marcher plus naturellement tout en maintenant la sécurité.

Ils détectent les trébuches en temps réel, ajustent automatiquement leur rigidité et permettent à l'utilisateur de se rattraper pour éviter une chute. Cette fonction de récupération des trébuchements représente un avantage biomécanique important en matière de sécurité. Si les capteurs du genou détectent un schéma de chargement inattendu qui laisse croire que l'utilisateur est en train de trébucher, le microprocesseur peut instantanément augmenter la résistance du genou, en durcissant efficacement l'articulation pour fournir un soutien et aider l'utilisateur à retrouver l'équilibre.

Contrôle de phase de rotation dans les microprocesseurs

Les prothèses du genou contrôlées par microprocesseur détectent le temps d'étape et modifient les niveaux d'extension du genou en fonction de la vitesse de marche en utilisant un capteur informatisé pour détecter lorsque le genou est complètement allongé. Le prothésiste définit les paramètres de démarche que l'ordinateur sélectionne et applique automatiquement selon le rythme en temps réel de l'ambulation. Le microprocesseur ajuste ensuite automatiquement la phase de oscillation de la démarche en essayant de produire une démarche plus naturelle dans des motifs de vitesse de marche variable.

Ce contrôle adaptatif de phase oscillante permet aux utilisateurs de marcher à des vitesses variables sans ajuster consciemment leur démarche. Le genou fournit automatiquement la quantité de résistance appropriée pendant la flexion pour contrôler la vitesse de flexion du genou, puis réduit la résistance pendant l'extension pour permettre à la jambe inférieure de basculer en douceur. Le timing et l'ampleur de ces changements de résistance sont constamment ajustés en fonction de la vitesse de marche et de la cadence de l'utilisateur.

Poignées prothétiques alimentées et semi-actives

Au-delà des genoux contrôlés par microprocesseur qui modulent la résistance, les chercheurs et les fabricants ont développé des genoux prothétiques alimentés qui peuvent générer activement force et mouvement. Un genou prothétique hybride actuel a combiné un système de spiral-détonateur, un moteur électrique et un système de transmission pour ambuler efficacement les escaliers.

Dans les genoux semi-actifs, les moteurs électriques travaillent généralement avec des ressorts, des systèmes d'actionnement hydraulique ou des amortisseurs magnétorhéologiques pour s'adapter à différents terrains. Les genoux semi-actifs occupent un sol intermédiaire entre les genoux passifs des microprocesseurs et les dispositifs entièrement alimentés. Ils utilisent de petits moteurs ou d'autres actionneurs pour ajuster les propriétés mécaniques ou le mode de fonctionnement du genou, mais ils ne fournissent pas les grandes forces nécessaires pour des activités comme l'escalade d'escalier ou se tenir debout à partir d'une position assise.

Les genoux prothétiques entièrement motorisés intègrent des moteurs capables de générer un couple significatif pour étendre ou articuler activement le genou. Ces dispositifs peuvent fournir un travail mécanique positif net sur le cycle de la démarche, potentiellement réduire le coût métabolique de la marche et permettre des activités difficiles ou impossibles avec les genoux prothétiques passifs. Par exemple, les genoux motorisés peuvent permettre aux utilisateurs de monter les escaliers pas à pas avec le membre prothétique menant, marcher plus facilement vers les rampes et se lever d'une position assise sans utiliser leurs bras pour l'assistance.

Cependant, les genoux prothétiques alimentés sont confrontés à des défis importants : ils nécessitent une puissance considérable de la batterie, ce qui les rend plus lourds que les dispositifs passifs. L'un des défis à venir est de savoir comment des mécanismes fonctionnels légers et efficaces peuvent être intégrés dans les actionneurs pour minimiser les coûts métaboliques des utilisateurs.

Le cycle de la gait et la fonction prothétique du genou

Comprendre le cycle de la démarche est essentiel pour apprécier comment les genoux prothétiques fonctionnent et comment leur conception répond aux exigences biomécaniques spécifiques à différents points du cycle de marche. Le cycle de la démarche est généralement divisé en phase de position et de swing, chaque phase étant subdivisée en événements et périodes distincts.

Contact initial et réponse au chargement

Le cycle de la démarche commence par un contact initial, lorsque le talon frappe le sol. Dans la démarche normale, le genou est presque complètement étendu à la frappe du talon, puis se fléchit légèrement (environ 15 degrés) pendant la réponse de charge, lorsque le poids corporel est transféré sur le membre. Cette flexion de position précoce sert plusieurs buts biomécaniques : elle absorbe les chocs, diminue le centre de masse du corps en douceur et aide à maintenir l'élan vers l'avant.

La stabilité de ce nouveau modèle est biomécaniquement augmentée par la flexion de la position, rendant inutile un dispositif de verrouillage. Les conceptions prothétiques avancées du genou intègrent des mécanismes qui permettent une flexion contrôlée pendant la réponse de chargement tout en assurant que le genou reste stable et supportant.

Stance intermédiaire et station terminale

Pendant la période de pointe, le centre de masse du corps passe au-dessus du membre support, et le genou s'étend généralement vers l'extension complète. En position terminale, lorsque le talon commence à se soulever et que le poids du corps se déplace vers l'avant, le genou reste étendu pour fournir une plate-forme stable pour la poussée.

Le défi biomécanique durant ces phases est de maintenir la stabilité sans créer une résistance excessive qui empêcherait la progression vers l'avant. Le genou doit être suffisamment stable pour supporter le poids corporel mais pas si rigide qu'il interfère avec le mouvement de roulement naturel du pied ou nécessite une énergie excessive de l'utilisateur pour faire avancer le corps vers l'avant.

Avant et avant le choc

La pré-swing, également appelée orteil-off, marque la transition de la position à la phase de swing. Lorsque le poids corporel est transféré au membre opposé, le genou commence à se fléchir rapidement, atteignant environ 60 degrés de flexion pendant la balance initiale. Cette flexion est essentielle pour la garde au sol, permettant au pied de dégager le sol pendant que le membre oscille vers l'avant.

Les genoux prothétiques doivent permettre une flexion libre pendant cette phase tout en contrôlant la vitesse de flexion pour empêcher la jambe inférieure de pivoter trop rapidement. La transition de la position à la phase de basculement est particulièrement critique, car le genou doit rapidement changer de stabilité et de support pour permettre le libre mouvement.

Échangisme intermédiaire et échangisme terminal

Pendant l'essoufflement, le genou atteint la flexion maximale, puis commence à s'étendre lorsque la jambe inférieure oscille vers l'avant. Dans l'essoufflement terminal, le genou continue à s'allonger, en approchant de l'extension complète en préparation de la prochaine frappe du talon.

Les systèmes d'éjection contrôlent le taux d'extension pour empêcher le genou de s'étendre trop rapidement, ce qui pourrait faire avancer brusquement la jambe inférieure, voire de l'hyperextender. L'objectif est d'obtenir une extension lisse et contrôlée qui correspond à la vitesse de marche et à la cadence de l'utilisateur.

Considérations biomécaniques pour différentes activités

Bien que la marche au sol représente l'activité la plus courante pour les utilisateurs de genou prothétique, de nombreuses activités quotidiennes nécessitent des capacités biomécaniques différentes.

Escalier Ascent

L'escalade des escaliers peut poser un défi majeur aux amputés de la tête en raison de la performance du moteur et des limitations de la conception prothétique. L'ascension des escaliers exige que le genou prothétique supporte le poids corporel tout en étant fléchi, tâche qui est biomécaniquement difficile pour les genoux prothétiques passifs. La plupart des utilisateurs avec des genoux prothétiques passifs montent les escaliers en menant avec leur membre intact, ce qui amène le membre prothétique jusqu'à la même étape, puis répète le processus – un modèle étape par étape plutôt que le modèle étape par étape utilisé par les individus sans amputation.

Une nouvelle articulation prothétique du genou, le Genium, est une fonction innovante, contrôlée par microprocesseur, qui permet à une amputée supérieure de monter les escaliers de façon à franchir une marche. Pour exécuter cette fonction, plusieurs capteurs différents et algorithmes de commutation complexes ont été intégrés dans l'articulation prothétique du genou. Cette capacité représente une avancée biomécanique importante, car elle exige que le genou fournisse une flexion contrôlée tout en soutenant le poids corporel – une fonction qui nécessite généralement un contrôle musculaire actif dans le genou biologique.

Escalier Descente

Les escaliers en descente sont souvent considérés comme encore plus difficiles que les ascendants, car il faut que le genou prothèse assure une flexion contrôlée tout en soutenant le poids corporel contre la gravité. Dans la démarche biologique, la descente de l'escalier se fait par contraction excentrique du muscle quadripeps, qui contrôle la vitesse de flexion du genou pendant que le muscle s'allonge.

Les genoux microprocesseurs peuvent détecter lorsque l'utilisateur descend des escaliers et ajuster leurs caractéristiques de résistance en conséquence. Ils offrent une résistance élevée à la flexion du genou, permettant à l'utilisateur de s'abaisser d'une manière contrôlée d'une étape à l'autre. Le genou doit fournir suffisamment de résistance pour empêcher la flexion incontrôlée mais pas tellement que l'utilisateur ne peut pas fléchir le genou du tout.

Marche à l'hameçon

En montant sur une rampe, le genou doit fournir une stabilité tandis que le centre de masse du corps est placé derrière la base du support, créant un moment de flexion au genou. En descendant une rampe, les forces gravitationnelles créent un moment de flexion encore plus grand, exigeant du genou une résistance substantielle pour empêcher les flambements.

Les genoux microprocesseurs peuvent détecter les changements de marche dans les modes de chargement et le moment des mouvements de la marche, puis ajuster leurs stratégies de contrôle en conséquence. Pendant la descente de la rampe, le genou offre une résistance accrue à la flexion tout au long de la phase de posture, donnant confiance et stabilité à l'utilisateur. Pendant la montée de la rampe, le genou maintient la stabilité tout en permettant la progression naturelle du cycle de la marche.

Uneven Terrain

La marche sur un terrain inégal nécessite des ajustements constants pour maintenir l'équilibre et la stabilité. Le genou biologique y parvient par des ajustements musculaires continus guidés par des retours proprioceptifs. Les genoux prothétiques doivent fournir une stabilité dans une gamme de conditions de chargement inattendues sans le bénéfice de retour sensoriel ou de contrôle musculaire actif.

Les genoux microprocesseurs sont généralement les mieux adaptés aux personnes ayant un mode de vie modéré à actif qui naviguent sur des terrains inégaux ou des obstacles environnementaux plus élémentaires comme les bordures et les surfaces inclinées. Les capacités d'adaptation des genoux microprocesseurs les rendent particulièrement adaptés pour des terrains inégaux.

L'alignement et son impact biomécanique

Selon la biomécanique prothétique classique, l'alignement est aussi critique que la sélection des composants. L'alignement d'un genou prothétique se réfère à sa relation spatiale avec la prise ci-dessus et le pied prothétique ci-dessous. Un alignement approprié est essentiel pour atteindre une fonction biomécanique optimale, car même de petits désalignements peuvent affecter significativement la stabilité, l'efficacité énergétique et la qualité de la démarche.

Alignement du plan sagittal

Dans le plan sagittal (vue latérale), l'alignement du genou prothèse par rapport à la douille et au pied détermine les caractéristiques de stabilité du genou. Le concept clé est la relation entre le vecteur de force de réaction au sol et le centre de l'articulation du genou. Lorsque le vecteur de force de réaction au sol passe devant le centre du genou, il crée un moment d'extension qui tend à maintenir le genou étendu. Lorsqu'il passe derrière le centre du genou, il crée un moment de flexion qui tend à faire boucler le genou.

Les prothétistes règlent soigneusement l'alignement du plan sagittal pour assurer une stabilité appropriée à chaque utilisateur. Un alignement plus stable, avec le vecteur de force de réaction au sol passant bien devant le centre du genou, offre une plus grande sécurité, mais peut rendre plus difficile l'initiation de la phase de basculement. Un alignement moins stable nécessite un contrôle plus actif de l'utilisateur, mais permet une flexion plus facile du genou et un modèle de démarche plus naturel.

Alignement des plans coronaux

Dans le plan coronal (vue de face), l'alignement affecte la répartition des forces à travers le genou prothèse et la charge du membre résiduel dans la prise. L'alignement du plan coronal permet de transmettre efficacement les forces par la prothèse et de s'adapter confortablement sans créer de pression excessive sur une zone particulière du membre résiduel.

Le mauvais alignement dans le plan coronal peut conduire à des tendances asymétriques de la démarche, l'utilisateur changeant de poids latéralement pour compenser le mauvais alignement. Cette compensation peut augmenter la dépense énergétique, créer des habitudes de charge anormales qui peuvent conduire à des douleurs articulaires ou d'autres problèmes musculosquelettiques, et réduire la confiance de l'utilisateur dans la prothèse.

Alignement rotatif

L'alignement rotatif se réfère à l'orientation du pied prothèse par rapport à la socket et au genou. L'alignement rotatif approprié garantit que le pied pointe dans la direction appropriée pendant la marche, généralement avec une légère rotation vers l'extérieur (révolution externe) d'environ 5-7 degrés pour correspondre aux modèles de démarche normaux.

Un alignement de rotation incorrect peut amener le pied à pointer trop loin vers l'intérieur ou vers l'extérieur, créant des couples anormaux à l'interface du genou et de la socket. Cela peut entraîner un inconfort, une dégradation de la peau et des comportements de démarche compensatoire qui augmentent la dépense d'énergie et peuvent causer des douleurs dans d'autres articulations.

Sélection des matériaux et performance biomécanique

Les matériaux utilisés dans la construction prothèse du genou influencent de façon significative les performances biomécaniques, la durabilité et l'acceptation par les utilisateurs. Les genoux prothèses modernes intègrent une variété de matériaux avancés, chacun sélectionné pour des propriétés spécifiques qui contribuent à la fonction globale.

Matériaux structurels

Les composants structuraux des genoux prothétiques doivent être suffisamment forts pour résister aux forces substantielles générées pendant la marche et d'autres activités, mais assez légers pour minimiser l'énergie nécessaire pour faire pivoter le membre prothétique. Les alliages de titane sont couramment utilisés pour les composants structuraux en raison de leur excellent rapport résistance-poids, résistance à la corrosion et biocompatibilité.

Les composites en fibre de carbone sont de plus en plus utilisés dans la construction prothèse du genou, en particulier pour les composants qui bénéficient d'une rigidité élevée et d'un faible poids. Ces matériaux peuvent être conçus pour fournir des propriétés mécaniques spécifiques dans différentes directions, permettant aux concepteurs d'optimiser les performances tout en minimisant le poids.

Surfaces de roulement et d'usure

Les composants qui se déplacent les uns par rapport aux autres, tels que les roulements d'articulation et les surfaces coulissantes, doivent être conçus pour minimiser la friction et l'usure tout en maintenant un fonctionnement fluide sur des millions de cycles.

Certains genoux prothétiques intègrent des systèmes de roulements scellés semblables à ceux utilisés dans les applications industrielles, utilisant des roulements à billes de précision ou à rouleaux pour assurer un mouvement lisse et à faible friction. Ces systèmes doivent être soigneusement scellés pour éviter la contamination par la saleté, l'eau ou d'autres facteurs environnementaux qui pourraient compromettre leur performance.

Fluides et joints hydrauliques

Pour les genoux prothétiques hydrauliques, la sélection des fluides hydrauliques et des matériaux d'étanchéité est essentielle pour une performance fiable à long terme. Le fluide hydraulique doit maintenir une viscosité constante à travers une gamme de températures, fournir une lubrification adéquate pour les pièces mobiles et résister à la dégradation au fil du temps.

Les systèmes d'étanchéité doivent empêcher les fuites de fluides hydrauliques tout en permettant un mouvement fluide des composants mobiles.Les genoux prothétiques modernes utilisent des conceptions et des matériaux d'étanchéité avancés qui fournissent un étanchéité fiable sur des millions de cycles tout en minimisant le frottement et l'usure.

Résultats cliniques et avantages biomécaniques

La mesure ultime du succès de la conception prothèse du genou est l'impact sur les résultats des utilisateurs. La recherche a démontré que les conceptions prothèses avancées du genou, en particulier les genoux contrôlés par microprocesseur, peuvent fournir des avantages biomécaniques et fonctionnels importants par rapport aux genoux mécaniques conventionnels.

Qualité de la démarche et symmétrie

L'utilisation du Genium a facilité la biomécanique de la démarche et la répartition de la charge dans toute la structure musculosquelettique affectée et saine. Ceci a été observé lors de la position tranquille sur un déclin, marchant sur le sol, et marchant sur les rampes et les escaliers. L'amélioration de la symétrie de la démarche est importante non seulement pour des raisons cosmétiques mais aussi pour la santé musculosquelettique à long terme.

Des études ont montré que les genoux microprocesseurs peuvent réduire les asymétries de la démarche par rapport aux genoux mécaniques, ce qui rapproche le modèle de la démarche de l'utilisateur de la normale. Cette amélioration résulte de la capacité du genou à adapter ses caractéristiques de résistance à la vitesse de marche de l'utilisateur et aux exigences de différentes activités, ce qui permet un mouvement plus naturel du genou tout au long du cycle de la démarche.

Dépenses énergétiques et coûts métaboliques

La marche avec un membre prothèse nécessite généralement plus d'énergie que la marche normale en raison de l'absence de production de puissance active des muscles et de la nécessité de compenser les limitations de la prothèse.

Des recherches ont montré que les genoux microprocesseurs peuvent réduire le coût métabolique de la marche par rapport aux genoux mécaniques, en particulier pendant des activités telles que la marche à vitesse variable ou sur un terrain inégal.Cette réduction des dépenses énergétiques peut se traduire par une réduction de la fatigue, une augmentation de l'endurance de la marche et une plus grande volonté de se livrer à des activités physiques.

Prévention et sécurité des chutes

La prévention des chutes n'est qu'un aspect – réduire les risques de blessures aiguës – mais une stabilisation efficace peut aussi réduire les problèmes médicaux que rencontrent souvent les amputés avec des prothèses et des articulations conventionnelles, comme les douleurs lombaires, l'arthrite et les remplacements de hanche.

Les caractéristiques de récupération des trébuches de ces appareils, qui détectent les schémas de chargement inattendus et augmentent automatiquement la résistance des genoux, offrent un avantage important en matière de sécurité. De plus, la stabilité accrue fournie par les microprocesseurs lors d'activités difficiles telles que des rampes descendantes ou la marche sur un terrain inégal peut aider à prévenir des situations qui pourraient entraîner des chutes.

Qualité de vie et avantages psychologiques

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Les MPC ont amélioré les capacités des patients à effectuer des capacités locomoteurs et des activités de la vie quotidienne, et ils ont montré des effets positifs sur la perception corporelle, la vitalité et les symptômes dépressifs des participants.

La confiance accrue qui découle de la présence d'un genou prothétique plus stable et plus réactif peut encourager les utilisateurs à s'engager dans un plus large éventail d'activités et de situations sociales. La capacité de marcher plus naturellement et avec un effort moins conscient peut réduire le fardeau cognitif de l'utilisation d'une prothèse, permettant aux utilisateurs de se concentrer sur leurs activités et leurs interactions plutôt que de contrôler leur membre prothétique.

Orientations futures dans la conception prothétique du genou

Le domaine de la conception prothétique du genou continue d'évoluer rapidement, les chercheurs et les ingénieurs travaillant à résoudre les limitations restantes et à développer de nouvelles capacités.

Reconnaissance de l'intention et contrôle prédictif

Les études futures devraient envisager de concevoir une prothèse électromécanique transfémorale basée sur les signaux électromyographiques (EMG) pour mieux prédire l'intention et le contrôle de l'amputé conformément à cette intention. Les genoux microprocesseurs actuels utilisent principalement des stratégies de contrôle réactif, ajustant leur comportement en fonction des données de capteurs qui reflètent ce qui se passe actuellement.

Une approche de la reconnaissance de l'intention consiste à utiliser des capteurs électromyographiques (EMG) pour détecter les signaux électriques des muscles dans le membre résiduel. En analysant les schémas de ces signaux, les systèmes de contrôle pourraient prédire le mouvement que l'utilisateur entend effectuer avant de commencer, ce qui permettrait au genou prothétique de se préparer de façon appropriée.

Amélioration de l'efficacité énergétique et de l'énergie

Bien que les genoux prothétiques à propulsion présentent des avantages fonctionnels importants, leur consommation d'énergie et leur poids élevés demeurent des limites importantes. Les développements futurs pourraient être axés sur l'amélioration de l'efficacité des actionneurs à propulsion, le développement de meilleurs systèmes de stockage d'énergie et l'intégration de technologies de récolte d'énergie qui peuvent capter et réutiliser l'énergie du cycle de la démarche.

Certains travaux de recherche explorent l'utilisation de servomoteurs de rigidité variable et de servomoteurs élastiques de série qui peuvent stocker et libérer l'énergie plus efficacement que les systèmes classiques à moteur.Ces approches peuvent permettre des genoux prothétiques alimentés qui fournissent une assistance active tout en consommant moins de puissance et en ajoutant moins de poids que les modèles actuels.

Intégration avec d'autres composants prothétiques

La plupart des systèmes prothétiques actuels traitent le genou, le pied et la prise comme des composants séparés qui sont assemblés pour créer une prothèse complète. Les systèmes futurs peuvent comporter une plus grande intégration entre les composants, avec des stratégies de contrôle coordonnées qui optimisent les performances de l'ensemble du membre prothétique plutôt que des composants individuels.

Par exemple, un système de prothèse intégré pourrait coordonner le comportement d'un genou microprocesseur et une prothèse de pied de cheville motorisée pour fournir des modèles de démarche plus naturels et améliorer les performances pendant les activités difficiles. Le genou et la cheville pourraient partager les données de capteur et coordonner leurs stratégies de contrôle pour fournir un soutien et une propulsion optimales tout au long du cycle de démarche.

Personnalisation et adaptation

Les genoux prothétiques actuels sont généralement configurés par un prothésiste en fonction des caractéristiques et des besoins de l'utilisateur, avec une capacité limitée d'adaptation aux changements au fil du temps. Les systèmes futurs peuvent intégrer des algorithmes d'apprentissage automatique qui permettent au genou prothésiste de s'adapter en permanence aux besoins, aux préférences et aux capacités changeants de l'utilisateur.

Ces systèmes adaptatifs pourraient apprendre les modes de mouvement et les préférences typiques de l'utilisateur, ajustant automatiquement son comportement pour fournir des performances optimales pour chaque individu. Ils pourraient également détecter des changements dans la démarche de l'utilisateur qui pourraient indiquer la fatigue, la douleur, ou des changements dans le membre résiduel, alerter l'utilisateur ou prothétiste aux problèmes potentiels avant qu'ils deviennent des problèmes graves.

Commentaires sensoriels et appropriation

L'une des limites fondamentales des genoux prothétiques actuels est le manque de rétroaction sensorielle pour l'utilisateur. Bien que la prothèse puisse avoir des capteurs sophistiqués qui fournissent des données à son système de contrôle, l'utilisateur ne reçoit généralement aucune information sensorielle directe sur la position ou le chargement de son membre prothétique. Cette absence de rétroaction proprioceptive oblige les utilisateurs à se fier à des indices visuels et des sensations indirectes transmises par la prise pour surveiller leur prothèse.

Les chercheurs explorent diverses approches pour fournir une rétroaction sensorielle aux utilisateurs de prothèses, y compris la stimulation vibrotactile, la stimulation électrique des nerfs et les techniques de réinnervation musculaire ciblées.Ces technologies pourraient potentiellement restaurer un certain degré de conscience proprioceptive, permettant aux utilisateurs de sentir la position et la charge de leur genou prothèse sans la regarder.

Considérations relatives à l'ordonnance et sélection de l'utilisateur

Les critères de prescription et de sélection des genoux prothétiques dépendent de l'interaction entre l'utilisateur et la prothèse, qui comprend cinq niveaux fonctionnels de K0 à K4. Le système de classification fonctionnelle Medicare (niveau K) fournit un cadre pour l'adéquation de la technologie prothétique du genou aux capacités et aux besoins de l'utilisateur.

Les utilisateurs de niveau K0 n'ont ni la capacité ni le potentiel d'embuler ou de transférer en toute sécurité avec ou sans assistance, et une prothèse n'améliore pas leur qualité de vie ou leur mobilité. Les utilisateurs de niveau K1 ont la capacité ou le potentiel d'utiliser une prothèse pour les transferts ou l'ambulation sur des surfaces de niveau à cadence fixe.

Les utilisateurs de niveau K3 ont la capacité ou le potentiel d'une embulation avec une cadence variable et la capacité de traverser la plupart des barrières environnementales. Ils peuvent avoir une activité professionnelle, thérapeutique ou d'exercice qui exige une utilisation prothétique au-delà de la simple locomotion.

La sélection d'un genou prothèse approprié implique de faire correspondre les capacités du genou au niveau fonctionnel, au mode de vie et aux objectifs de l'utilisateur. Les genoux prothèses plus avancés, en particulier les dispositifs contrôlés par microprocesseur, sont habituellement prescrits aux utilisateurs de niveau K3 et K4 qui peuvent bénéficier de leurs capacités améliorées.

Entretien et rendement à long terme

La performance biomécanique d'un genou prothèse dépend non seulement de sa conception initiale et de son ajustement, mais aussi de son entretien pendant toute sa durée de vie. Les genoux prothèses sont soumis à des millions de cycles de chargement et doivent fonctionner de manière fiable dans diverses conditions environnementales, de chaud, humide, froid et humide.

Un entretien régulier est essentiel pour assurer une performance optimale continue, notamment un contrôle périodique des composants mécaniques pour l'usure, le contrôle et le réglage de l'alignement au besoin, et l'entretien des systèmes hydrauliques ou pneumatiques.

Les utilisateurs devraient être informés sur le soin approprié de leur genou prothèse, y compris les procédures de nettoyage, les signes de problèmes potentiels, et quand chercher un service professionnel. Beaucoup de genoux prothèse moderne comprennent des capacités de diagnostic qui peuvent alerter l'utilisateur ou prothèses à des problèmes potentiels avant qu'ils se traduisent par une défaillance ou une performance compromise.

Le rôle de la réadaptation et de la formation

Même le genou prothèse le plus avancé ne peut fournir une fonction optimale sans une réadaptation et une formation adéquates. Les utilisateurs doivent apprendre à travailler avec leur genou prothèse, comprendre ses capacités et ses limitations et développer les compétences nécessaires pour l'utiliser efficacement dans toute une série d'activités.

Les programmes de réadaptation pour les utilisateurs de genou prothésistes progressent généralement à plusieurs étapes, en commençant par des compétences de base comme l'équilibre debout et le déplacement du poids, puis en passant au niveau de la marche au sol, et éventuellement à des activités plus difficiles comme les escaliers, les rampes et les terrains inégaux.

Pour les utilisateurs qui passent à des genoux prothétiques avancés, en particulier des dispositifs commandés par microprocesseur, il peut être nécessaire d'acquérir une formation supplémentaire pour apprendre à tirer parti des capacités améliorées du genou. Cela pourrait comprendre d'apprendre à descendre des rampes ou des escaliers plus naturellement, à s'adapter aux fonctionnalités de récupération du genou, ou à utiliser des applications pour smartphone pour ajuster les paramètres du genou pour différentes activités.

Conclusion

La compréhension des principes biomécaniques derrière la conception prothétique du genou révèle la complexité et la sophistication remarquables de ces appareils. Du défi fondamental de reproduire le double rôle du genou naturel, qui est d'assurer la stabilité et la mobilité, aux systèmes de contrôle complexes des genoux microprocesseurs modernes, la conception prothétique du genou représente une synthèse de la biomécanique, de la science des matériaux, de l'ingénierie de contrôle et de l'expertise clinique.

L'évolution de la technologie prothèse du genou, des charnières mécaniques simples aux dispositifs perfectionnés contrôlés par microprocesseurs, a considérablement amélioré les capacités fonctionnelles et la qualité de vie des personnes ayant une amputation transfémorale.

Les genoux prothétiques actuels, même les plus avancés, ne peuvent pas reproduire pleinement les capacités du genou biologique. L'absence de production de puissance active, de rétroaction sensorielle et de contrôle neuromusculaire sophistiqué du membre naturel continue de limiter la fonction prothétique. Les efforts de recherche et de développement en cours visent à remédier à ces limitations par des actionneurs motorisés, des systèmes de rétroaction sensorielle et des algorithmes de contrôle avancés basés sur la reconnaissance de l'intention et l'apprentissage machine.

L'avenir de la conception prothétique du genou promet une progression continue, avec des technologies qui fournissent une fonction de plus en plus naturelle et sans effort. À mesure que notre compréhension de la biomécanique s'approfondira et que de nouvelles technologies émergeront, les genoux prothétiques continueront d'évoluer, offrant aux utilisateurs une plus grande mobilité, indépendance et qualité de vie. L'objectif ultime reste clair : développer des genoux prothétiques qui reproduisent si étroitement la fonction naturelle que les utilisateurs peuvent se déplacer dans leur vie quotidienne sans penser à leur prothèse, en se concentrant plutôt sur leurs activités, leurs objectifs et leurs relations.

Pour ceux qui souhaitent en apprendre davantage sur la technologie de la prothèse et la réadaptation, des ressources sont disponibles par l'intermédiaire d'organisations telles que la Amputee Coalition et de sociétés professionnelles comme American Orthotic and Prosthetic Association. Ces organisations fournissent des informations précieuses aux utilisateurs de prothèses, aux professionnels de la santé et aux chercheurs qui travaillent à faire progresser le domaine de la prothèse et à améliorer les résultats pour les personnes ayant perdu des membres.