Improvement of the propulsion of prosthetic systems for transfemoral amputees
Amélioration de la propulsion de systèmes prothétiques pour personnes amputées transfémorales
Résumé
Despite technological advances, lower-limb amputation still has a major negative impact on quality of life and mobility, particularly in the case of transfemoral (TF) amputations. Among other things, this is reflected by an increase in oxygen consumption which, at equivalent walking speed, is around 25% for transtibial (TT) amputees and 50% for TF amputees, compared with non-amputees. Some of this oxygen overconsumption could be due to a lack of energy return by the prosthetic foot. The Synsys prosthesis, the result of a long-term collaboration between the IBHGC and Proteor, is a new microprocessor-based knee-ankle prosthesis with a hydraulic system that enables synergy between the two joints. The aim of this thesis is therefore twofold: firstly, to contribute to understand the link between the energy returned by the prosthetic foot, its role during walking and the oxygen consumption of TF amputees; and secondly, to improve the Synsys prosthetic foot in order to reduce the energy consumption of its users.The state of the art has highlighted the fact that no study has simultaneously quantified mechanical work and metabolic consumption during walking by TF amputees. The link between these two quantities is therefore still poorly understood. On the other hand, the literature has shown that the initiation of flexion of the prosthetic knee could limit the generation of power to the limb fitted during the push-off phase. We therefore proposed two complementary studies to help understand the link between the energy returned to the prosthetic foot, the mechanical work performed on the fitted limb and the oxygen consumption of TF amputees. The first study was carried out on a large cohort of 155 participants and investigated the effect of amputation level and walking speed on the mechanical work of lower-limb amputees. We showed firstly that TF amputees performed the same amount of push-off work with their prosthetic foot as TT amputees, but that they performed significantly less push-off work with their fitted limb; and secondly that in TF amputees this push-off work with the fitted limb remained constant with walking speed despite the increase in energy returned to the foot. The second study was carried out in a complementary manner to illustrate the effect of a reduction in the energy returned to the prosthetic foot. Oxygen consumption during walking was compared between the presence and total absence of energy returned to the foot, in non-amputees walking with a TF amputation simulator. No difference in oxygen consumption was found between the two configurations.Finally, we sought a technological means of facilitating the flexion of the prosthetic knee to increase the push-off work of the fitted limb and reduce the metabolic consumption of TF amputees. A new prototype prosthetic foot was developed for the Synsys prosthesis with this in mind, in order to make the most of its hydraulic system. Finite element simulations and 3D printing using Fused Deposition Modeling (FDM) enabled rapid and low-cost prototyping. The safety of this prototype was tested mechanically and its effect on metabolic consumption was assessed in a participant. This prototype made it possible to increase the push-off work of the fitted limb as a function of walking speed, compared with reference prostheses on the market. However, no reduction in oxygen consumption was observed, probably due in part to the negative effect of adding weight.
Malgré les avancées technologiques, l’amputation d’un membre inférieur a toujours un fort impact négatif sur la qualité de vie et la mobilité, en particulier dans le cas d'amputation transfémorale (TF). Ceci se manifeste entre autres par une augmentation de la consommation en oxygène qui, à vitesse de marche équivalente, est de l’ordre de 25% pour les personnes amputées transtibiales (TT) et de 50% pour les personnes amputées TF, par rapport aux personnes non amputées. Une partie de cette surconsommation en oxygène pourrait provenir d’un manque de restitution d’énergie au pied prothétique. La prothèse Synsys, issue de la collaboration entre l’IBHGC et Proteor est une nouvelle prothèse genou-cheville à microprocesseur dont le système hydraulique permet une synergie entre les deux articulations. L’objectif de cette thèse est donc double : il s'agit d’une part de participer à la compréhension du lien entre l’énergie restituée au niveau du pied prothétique, son rôle pendant la marche et la consommation en oxygène des personnes amputées TF ; et d'autre part d’améliorer le pied prothétique du Synsys dans l’optique de diminuer la consommation énergétique de ses utilisateurs.L’état de l’art à mis en avant qu’aucune étude n’a quantifié simultanément le travail mécanique et la consommation métabolique lors de la marche de personnes amputées TF. Le lien entre ces deux grandeurs est donc encore mal compris. D’autre part, la littérature a montré que l’initiation de la flexion du genou prothétique pourrait limiter la génération de puissance au membre appareillé durant la phase de propulsion. Nous avons donc proposé deux études complémentaires participant à la compréhension du lien entre l’énergie restituée au pied prothétique, le travail mécanique réalisé au membre appareillé et la consommation en oxygène des personnes amputées TF. La première étude a été menée sur une vaste cohorte de 155 participants et a permis d’investiguer l’effet du niveau d’amputation et de la vitesse de marche sur le travail mécanique des personnes amputées d’un membre inférieur. Nous avons montré d'une part que les personnes amputées TF réalisaient la même quantité de travail de propulsion avec leur pied prothétique que les personnes amputées TT, mais qu'ils réalisaient significativement moins de travail de propulsion avec leur membre appareillé ; et d'autre part que chez les personnes amputées TF ce travail de propulsion au membre appareillé restait constant avec la vitesse de marche malgré l'augmentation de l'énergie restituée au pied. La seconde étude a été menée de manière complémentaire pour caricaturer l’effet d’une diminution d’énergie restituée au pied prothétique. Pour cela, la consommation en oxygène lors de la marche a été comparée entre la présence et l’absence totale d’énergie restituée au pied, chez des personnes non amputées marchant avec un simulateur d’amputation TF. Aucune différence de consommation en oxygène n’a été trouvé entre les deux configurations.Enfin, nous avons cherché un moyen technologique de faciliter la flexion du genou prothétique pour permettre d’augmenter le travail de propulsion au membre appareillé et diminuer la consommation métabolique des personnes amputées TF. Un nouveau prototype de pied prothétique a été développé pour la prothèse Synsys dans ce sens, afin de tirer parti au mieux de son système hydraulique. Des simulations par éléments finis et une fabrication en impression 3D par dépôt de fil fondu ont permis un prototypage rapide et peu coûteux. La sécurité de ce prototype a été testée mécaniquement et son effet sur la consommation métabolique a été évalué chez un participant. Ce prototype a permis d’augmenter le travail de propulsion au membre appareillé en fonction de la vitesse de marche et par rapport à des prothèses commercialisée de référence. Toutefois, aucune diminution de la consommation en oxygène n’a été observée, probablement en partie à cause de l’effet négatif de l’ajout de poids.
Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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