義肢
義足で走る人

医学において、プロテーゼ（複数形：prostheses、古代ギリシャ語：πρόσθεσις、ローマ字表記：prósthesis、文字通り「追加、適用、取り付け」）[ 1 ] 、または人工インプラント[ 2 ] [ 3 ] は、身体的外傷、病気、または出生時の状態（先天性疾患）によって失われた身体の一部を置き換える人工器具である。プロテーゼは、失われた身体部分の正常な機能を回復したり、[ 4 ]美容機能を果たしたりすることがある。

切断手術を受けた人は切断患者と呼ばれることもあります。切断患者のリハビリテーションは、主に理学療法士が担当し、理学療法士、義肢装具士、看護師、理学療法士、作業療法士などからなる学際的なチームの一員となります。[ 5 ]義肢は手作業で作成することも、コンピュータ支援設計(CAD) を使用して作成することもできます。CAD とは、コンピュータで生成された2Dおよび3D グラフィックスや分析ツール、最適化ツールを使用して義肢を設計および分析するソフトウェア インターフェイスです。 [ 6 ]

種類

義肢は、個々の外見と機能的ニーズに合わせて設計・組み立てられるべきです。個人の状況、併存疾患、予算、健康保険の適用範囲、医療へのアクセスなどに応じて、美観と機能のバランスを考慮した決定が必要となる場合があります。さらに、人によっては、筋電装置、体幹駆動装置、または特定の活動に特化した装置が適切な選択肢となる場合があります。個人の将来の目標、職業上の希望、潜在的な能力などを考慮して、複数の装置から最適なものを選ぶことができます。

頭蓋顔面補綴物 には、口腔内補綴物と口腔外補綴物があります。口腔外補綴物はさらに、片側顔面補綴物、耳介補綴物、鼻補綴物、眼窩補綴物、眼補綴物に分類されます。口腔内補綴物には、義歯、閉塞具、歯科インプラントなどの歯科補綴物が含まれます。

頸部の人工器官には、喉頭代替物、気管および上部食道代替物が含まれる。

胴体のプロテーゼには、片側または両側の乳房プロテーゼ、全乳房デバイス、または乳首プロテーゼなどがあります。

陰茎プロテーゼは、勃起不全の治療、男性の陰茎形成手術、女性から男性への性転換手術で新しい陰茎を形成するために使用されます。

義肢

義肢には上肢義肢と下肢義肢の両方が含まれます。

上肢義肢は、様々な切断レベル（前肢、肩関節離断、上腕骨義肢、肘関節離断、橈骨義肢、手首離断、手関節全切断、手関節部分切断、指切断、指部分切断など）で使用されます。橈骨義肢は、肘から下が失われた腕を補う人工肢です。

2つの上肢義肢の例。1つは身体動力式（右腕）で、もう1つは筋電式（左腕）です。

上肢義手は、受動型デバイス、身体駆動型デバイス、および外部駆動型（筋電）デバイスの 3 つの主なカテゴリに分類できます。受動型デバイスは、主に美容目的で使用される受動ハンド、または特定の活動（レジャーや職業など）に使用される受動ツールのいずれかです。受動型デバイスの広範な概要と分類については、Maat らによる文献レビューを参照してください。[ 7 ]受動型デバイスは静的（つまり可動部分がまったくない）か、調整可能（つまり構成を調整できる（手の開き具合を調整できるなど））です。能動的な把持がないにもかかわらず、受動型デバイスは、物体を固定または支持する必要がある両手作業や、社会的交流における身振りに非常に役立ちます。科学的データによると、世界中の上肢切断者の 3 分の 1 が受動型義手を使用しています。[ 7 ]身体駆動型またはケーブル操作型の義手は、損傷した腕の反対側の肩にハーネスとケーブルを取り付けることで機能します。最近の身体駆動型アプローチでは、作動ケーブルとハーネスを不要にするために、ユーザの呼吸を利用して義手に電力を供給し、制御することが研究されている。[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]利用可能な義肢デバイスの 3 番目のカテゴリは、筋電図アームです。この特定のクラスのデバイスは、バッテリーシステムを組み込んでいる点で以前のデバイスと異なります。このバッテリーは、作動コンポーネントとセンシングコンポーネントの両方にエネルギーを供給するという二重の目的を果たします。作動は主にモーターまたは空気圧システムに依存していますが、[ 11 ]筋活動を捕捉するためのさまざまなソリューションが研究されており、筋電図法、ソノミオグラフィー、ミオキネティックなどの技術が含まれます。[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]これらの方法は、通常、電極またはその他の適切なツールを使用して、上腕の動きの間に収縮した筋肉によって生成される微小な電流を検出することによって機能します。次に、取得した信号が義手が実行するグ​​リップパターンまたは姿勢に変換されます。

義肢業界では、経橈骨義手は「BE」または肘下義手と呼ばれることがよくあります。

下肢義肢は、様々な切断レベルにおける義肢です。これには、股関節離断、大腿骨義肢、膝関節離断、脛骨義肢、サイム切断、足部、部分足部、足指が含まれます。下肢義肢には、主に脛骨切断（脛骨を切断する切断、または先天異常により脛骨欠損が生じる切断）と大腿骨切断（大腿骨を切断する切断、または先天異常により大腿骨欠損が生じる切断）の2つのサブカテゴリがあります。

大腿義足は、膝から上の脚を失った部分を補う人工肢です。大腿切断者は、正常な動作を取り戻すのに非常に苦労することがあります。一般的に、大腿切断者は両脚が正常な人よりも歩行に約80%多くのエネルギーを消費します。[ 15 ]これは、膝関節の動きが複雑であるためです。より新しく改良された設計では、油圧、カーボンファイバー、機械式リンク、モーター、コンピューターマイクロプロセッサー、そしてこれらの技術の革新的な組み合わせが採用され、ユーザーがより自由に操作できるようになりました。義肢業界では、大腿義足はしばしば「AK」または膝上義足と呼ばれます。

下脛骨義足は、膝から下を失った脚を補う人工肢です。下脛骨切断者は、膝を温存することで動きを容易にし、大腿骨切断者よりも通常の動作を回復するのが一般的です。下肢義足とは、股関節レベルまたはそれ以下の位置に人工的に置換された肢を指します。義肢業界では、下脛骨義足はしばしば「BK」または膝下義足と呼ばれます。

義肢は臨床義肢装具士によって製作され、装着される。義肢装具士は義肢の製作、装着、調整を担当する医療専門家であり、下肢義肢の場合は歩行と義肢アライメントの両方を評価する。義肢装具士によって義肢が装着され調整されると、リハビリテーション理学療法士（アメリカでは理学療法士と呼ばれる）が新しい義肢使用者に義足での歩行を指導するのを支援する。そのために、理学療法士は口頭で指示を与える場合があり、触覚的な手がかりを使用してその人を導くのを支援する場合もある。これはクリニックまたは自宅で行われる。いくつかの研究によると、治療にトレッドミルの使用が含まれている場合、自宅でのそのようなトレーニングがより効果的である可能性がある。[ 16 ]理学療法治療と併せてトレッドミルを使用すると、人は義肢で歩くことの多くの課題を経験することができる。

英国では、下肢切断の75％は不十分な循環（血管障害）のために行われています。[ 17 ]この状態は、糖尿病や心臓病を含む他の多くの病状（併存疾患）に関連していることが多く、運動機能と自立を取り戻すために義肢を使用することを困難にする可能性があります。[ 17 ]不十分な循環があり下肢を失った人々については、研究不足のために、義肢リハビリテーションのアプローチの選択に関する情報が不十分です。[ 17 ]

人体の関節を置換するために使用される人工関節の種類

下肢義肢は、切断レベルや外科医の名前によって分類されることが多い：[ 18 ] [ 19 ]

  • 経大腿（膝上）
  • 下腿骨（膝下）
  • 足首の離断（一般的にはサイム切断として知られている）
  • 膝関節離断（膝関節置換術も参照）
  • 股関節離断術（股関節置換術も参照）
  • 片側骨盤切開術
  • 部分的足切断（ピロゴフ切断、距骨舟状骨および踵立方骨切断（ショパール切断）、足根中足骨切断（リスフラン切断）、中足骨横断切断、中足骨指節間切断、足指切断）。[ 19 ]
  • ヴァンネス回転形成術

補綴材料

義肢は、切断者の利便性を高めるために軽量に作られています。軽量化の対象となる素材には、以下のようなものがあります。

  • プラスチック:
    • ポリエチレン
    • ポリプロピレン
    • アクリル
    • ポリウレタン
  • 木材（初期の義肢）
  • ゴム（初期の義肢）
  • 軽量金属:
    • アルミニウム
  • 複合材料:
    • 炭素繊維強化ポリマー[ 4 ]

車輪付き義肢は、犬、猫、豚、ウサギ、カメなどの負傷した家畜のリハビリにも広く使用されています。[ 20 ]

臓器の補綴

臓器移植には人工心臓や人工腎臓などがある。

歴史

紀元前950年から710年の間に作られた古代エジプトの義足の指。[ 21 ]

義肢は紀元前3000年頃の古代近東に起源を持ち、最も古い義肢の証拠は古代エジプトとイランで見られる。義眼に関する最も古い記録は紀元前3000年頃のエジプトのホルスの目の物語で、ホルスの左目がえぐり出され、その後トート神によって修復されたとされている。紀元前3000～2800年頃、古代イランで義眼の考古学的証拠が最も古く、シャー・イ・ショフタの女性とともに埋葬されている。この義眼はおそらく瀝青ペーストで作られ、薄い金の層で覆われていたと思われる。[ 22 ]エジプト人はまた、紀元前1000年頃の新王国時代の遺体で木製のつま先が発見されていることからわかるように、足の義肢の先駆者でもあった。 [ 23 ]南アジアで紀元前1200年頃の文献に、戦士の女王ヴィシュパーラに関する記述が見られます。[ 24 ]ローマ時代の青銅製の冠も発見されていますが、その使用目的は医療目的よりも美観目的だった可能性があります。[ 25 ]

義足に関する初期の記述はギリシャの歴史家ヘロドトスによるもので、スパルタの捕虜から逃れるために自分の足を切り落とし、木製の足に交換したギリシャの占い師ヘゲシストラトスの物語を伝えている。 [ 26 ]

木材および金属の義肢

カプアの脚（レプリカ）
トルファン博物館所蔵、紀元前300年頃の聖金店墓地出土の木製義足。これは「現在知られている中で最も古い機能的な義足」である。[ 27 ]
ゲッツ・フォン・ベルリヒンゲン（1480-1562）が所有していたとされる鉄製の義手
「機械の針の図」、 1564年頃
1560年から1600年頃のものとされる人工鉄の手

大プリニウスはローマの将軍マルクス・セルギウスの物語も記録している。セルギウスは遠征中に右手を切り落とされ、盾を持つために鉄の手が作られ、戦場に戻れるようになった。有名で非常に洗練された[ 28 ]歴史的義手は、16世紀初頭に作られたゲッツ・フォン・ベルリヒンゲンのものである。しかし、義手が初めて使用されたのは紀元前950年から710年の間である。2000年、研究病理学者は、古代テーベ近郊のエジプトの墓地に埋葬されたこの時代のミイラを発見した。木と革でできたこの親指には、使用の痕跡が残っていた。2011年にバイオメカニクスエンジニアによって再現されたところ、研究者らはこの古代の義手によって、裸足でもエジプト風のサンダルでも歩くことができたことを発見した。これまで発見された最も古い義肢はカプアで発見された義足であった。[ 29 ]

同じ頃、フランソワ・ド・ラ・ヌーも鉄の手を持っていたと伝えられており、17世紀にはルネ＝ロベール・カヴァリエ・ド・ラ・サールも鉄の手を持っていたと伝えられています。[ 30 ]アンリ・ド・トンティは鉤状の義手を持っていました。中世において、義肢はごく基本的な形態にとどまっていました。衰弱した騎士は、盾を掲げたり、槍や剣を握ったり、騎乗した戦士の姿勢を安定させたりするために義肢を装着しました。[ 31 ]日常生活を助けるものを購入できるのは、裕福な人々だけでした。[ 32 ]

注目すべき義肢の一つはイタリア人男性のもので、科学者たちは切断された右手をナイフに取り換えたと推定している。[ 33 ] [ 34 ]ポヴェリアーノ・ヴェロネーゼのロンゴバルド人墓地で発見された骨格を調査した科学者たちは、この男性が6世紀から8世紀の間に生きていたと推定した。[ 35 ] [ 34 ]男性の遺体近くで発見された資料によると、ナイフの義肢は革のストラップで取り付けられており、男性が歯で繰り返し締めていたことが示唆されている。[ 35 ]

ルネサンス期には、鉄、鋼、銅、木材を用いた義肢が開発されました。機能的な義肢は1500年代に登場し始めました。[ 36 ]

20世紀以前の技術進歩

あるイタリアの外科医は、片腕で帽子を脱ぎ、財布を開け、署名できる切断患者の存在を記録しました。[ 37 ]切断手術と義肢デザインの進歩は、アンブロワーズ・パレの手によるものでした。彼の発明の中には、膝上義足装置がありました。これは、固定位置、調節可能なハーネス、膝のロック機能を備えた、膝を曲げて義足と義足として使用できる装置です。彼の進歩の機能性は、将来の義肢がどのように発展していくかを示しました。

近代以前のその他の主要な改良点:

  • Pieter Verduyn  – 最初の非ロック式膝下義足 (BK)。
  • ジェームズ・ポッツ - 木製のシャンクとソケット、鋼鉄製の膝関節、そして膝から足首まで腸線で結ばれた腱で制御された関節式の足部からなる義肢。後に「アングルシー・レッグ」または「セルフォ・レッグ」として知られるようになった。
  • ジェームズ・サイム卿 – 大腿部を切断しない足首切断の新しい方法。
  • ベンジャミン・パーマー - セルフォの脚を改良。前部にスプリングと隠し腱を追加し、自然な動きを再現しました。
  • デュボア・パームリー – 吸引ソケット、多中心膝、多関節足を備えた義肢を製作。
  • マルセル・デソーターとシャルル・デソーター – 最初のアルミニウム製義肢[ 38 ]
  • ヘンリー・ヘザー・ビッグとその息子ヘンリー・ロバート・ヘザー・ビッグは、クリミア戦争後、負傷兵に「外科用器具」を提供するという女王の命令を勝ち取りました。彼らは、両腕を失った人がかぎ針編みを行える腕と、象牙、フェルト、革をベースに、他人にとって自然に感じられる手を開発しました。[ 39 ]

第二次世界大戦終結後、NAS（米国科学アカデミー）は義肢の研究開発の向上を提唱し始めました。政府の資金援助により、陸軍、海軍、空軍、そして退役軍人局において研究開発プログラムが策定されました。

下肢の近代史

1941年の義肢工場

第二次世界大戦後、カリフォルニア大学バークレー校のジェームズ・フットとCW・ラドクリフを含むチームが、膝上切断用のジグフィッティングシステムを開発し、四辺形ソケットの開発に貢献した。1980年代には、ジョン・サボリッチCPOが、後にサボリッチソケットとなる輪郭付き内転転子制御アライメント法（CATCAM）ソケットを発明し、下肢用ソケット技術にさらなる革命が起こった。サボリッチは、イヴァン・ロングとオッサール・クリステンセンの後継者となり、彼らは四辺形ソケットの代替品を開発し、さらにその代替品は木製のオープンエンドプラグソケットとなった。[ 40 ]この進歩は、ソケットと患者の接触モデルの違いによるものであった。それ以前は、ソケットは四角形で、筋組織を収容する特別な空間はなかった。このように新しいデザインは骨の解剖学的構造を固定し、所定の位置に固定して、患者の既存の肢と筋肉に均等に重量を分散するのに役立ちます。坐骨コンテインメントはよく知られており、今日では多くの義肢装具士が患者のケアに役立てています。このように坐骨コンテインメントソケットには様々なバリエーションがあり、それぞれのソケットは患者の特定のニーズに合わせて調整されます。長年にわたりソケットの開発と変更に貢献した人物には、ティム・シュターツ、クリス・ホイト、フランク・ゴットシャルクなどがいます。ゴットシャルクはCAT-CAMソケットの有効性に異議を唱え、切断外科医による外科手術が、あらゆるタイプのソケットデザインの義肢を適切に使用できるように切断患者を準備するために最も重要であると主張しました。[ 41 ]

マイクロプロセッサ制御の義膝が初めて市販されたのは1990年代初頭でした。インテリジェント・プロテーゼは、市販された最初のマイクロプロセッサ制御の義膝でした。英国のChas. A. Blatchford & Sons, Ltd.が1993年に発売し、義足を装着した際の歩行感覚と見た目をより自然にしました。[ 42 ]改良版は1995年にインテリジェント・プロテーゼ・プラスとして発売されました。Blatchfordは1998年に別の義足、アダプティブ・プロテーゼを発売しました。アダプティブ・プロテーゼは、油圧制御、空気圧制御、マイクロプロセッサを活用し、切断者の歩行速度の変化に適応した歩行を可能にしました。コスト分析によると、高度な膝上義足は、年間の生活費調整のみを考慮すると、45年間で約100万ドルになります。[ 43 ]

2019年には、AT2030プロジェクトの一環として、石膏型ではなく熱可塑性プラスチックを用いてオーダーメイドのソケットを製作するプロジェクトが開始されました。この方法は製作が迅速で、コストも大幅に削減されます。このソケットは「Amparo Confidenceソケット」と名付けられました。[ 44 ] [ 45 ]

上肢の近代史

DARPAが義肢に革命を起こす - LUKEアーム

2005年、DARPAはRevolutionizing Prostheticsプログラムを開始した。[ 46 ] [ 47 ] [ 48 ] [ 49 ] [ 50 ] [ 51 ] DARPAによると、1億ドル規模のこのプログラムの目標は、「切断者の自立と生活の質を劇的に向上させる、ほぼ自然な制御を備えた高度な電気機械式義肢を開発すること」であった。[ 52 ] [ 53 ] 2014年、DEKA研究開発会社のディーン・ケイメン氏と彼のチームが開発したLUKE Armは、 FDAによると「人の筋肉からの信号を変換して複雑な作業を実行する」最初の義肢としてFDAに承認された。 [ 53 ] [ 54 ]ジョンズ・ホプキンス大学と米国退役軍人省もこのプログラムに参加した。[ 53 ] [ 55 ]

義肢デザインのトレンドは、時代とともに進化を遂げており、多くの段階を経ています。多くのデザイントレンドは、炭素繊維、シリコン、先進ポリマーといった、より軽量で耐久性と柔軟性に優れた素材に注目しています。これらの素材は義肢をより軽量で耐久性の高いものにするだけでなく、自然な皮膚の外観と感触を模倣することを可能にし、ユーザーに快適で自然な装着感を提供します。[ 56 ]この新技術は、義肢ユーザーが健常靭帯を持つ人々と調和し、義肢装着者に対する偏見を軽減するのに役立ちます。もう一つのトレンドは、義肢デザインにバイオニクスや筋電部品を活用することです。これらの義肢は、ユーザーの残存筋からの電気信号をセンサーで検出します。信号は動作に変換され、ユーザーは自身の筋収縮を用いて義肢を制御できます。これにより、切断患者が行える動作の範囲と流動性が大幅に向上し、物を掴んだり自然に歩いたりといった動作がはるかに容易になりました。[ 56 ] AIとの統合も義肢設計の最前線にあります。AI搭載の義肢は、ユーザーの習慣や好みを学習し、時間の経過とともに適応することで、最適な機能性を確保します。ユーザーの歩き方、握力、その他の動きを分析することで、これらのスマート義肢はリアルタイムで調整を行い、よりスムーズで自然な動きを提供します。[ 56 ]

患者の処置

義肢は、切断、先天性奇形、あるいは欠損した四肢を機能的に補うものです。義肢装具士は、義肢の処方、設計、そして管理に責任を負います。

ほとんどの場合、義肢装具士はまず患者の患肢の石膏型を採取します。この石膏型に合わせて、軽量で高強度の熱可塑性プラスチックをカスタム成形します。カーボンファイバー、チタン、ケブラーといった最先端素材を用いることで、強度と耐久性を高めながら、新しい義肢を軽量化します。より高度な義肢には高度な電子機器が搭載され、安定性と制御性が向上します。[ 57 ]

現在の技術と製造

WorkNCコンピュータ支援製造ソフトウェアを使用して製造された膝関節プロテーゼ

長年にわたり、義肢は進歩を遂げてきました。新しいプラスチックや炭素繊維などの素材の登場により、義肢はより強固かつ軽量になり、義肢の動作に必要な余分なエネルギーを抑えることができます。これは特に大腿切断患者にとって重要です。また、新たな素材の使用により、義肢の外観はよりリアルになり、橈骨切断患者や上腕切断患者にとって、義肢が露出する可能性が高いため、特に重要です。[ 58 ]

義指の製造

新素材に加え、義肢における電子機器の使用は非常に一般的になっている。筋肉の動きを電気信号に変換して義肢を制御する筋電義肢は、ケーブルで操作する義肢よりもはるかに一般的になっている。筋電信号は電極で受信され、積分され、ある閾値を超えると義肢制御信号が発動される。これが、すべての筋電制御が本質的に遅延する理由である。対照的に、ケーブル制御は即時かつ物理的であり、それによって筋電制御では得られないある程度の直接的な力のフィードバックが得られる。コンピュータは義肢の製造にも広く利用されている。コンピュータ支援設計とコンピュータ支援製造は、義肢の設計と製造を支援するためによく利用されている。[ 58 ] [ 59 ]

現代の義肢のほとんどは、ベルトとカフ、または吸引によって切断者の断端に取り付けられます。断端は義肢のソケットに直接取り付けられるか、または今日ではより一般的にはライナーが使用され、その後、真空（吸引ソケット）またはピンロックによってソケットに固定されます。ライナーは柔らかく、そのおかげで、硬いソケットよりもはるかに優れた吸引フィットを実現できます。シリコンライナーは標準サイズで入手でき、そのほとんどは円形断面ですが、その他の断端形状に合わせてカスタムライナーを作成できます。ソケットは断端にフィットし、義肢の力を断端の領域全体（小さな一点だけでなく）に分散するようにカスタムメイドされるため、断端の摩耗が軽減されます。

義肢ソケットの製作

義肢ソケットの製作は、切断肢の形状をキャプチャすることから始まります。このプロセスは形状キャプチャと呼ばれます。このプロセスの目的は、切断肢の正確な形状表現を作成することであり、これはソケットの良好なフィット感を実現するために不可欠です。[ 60 ]カスタムソケットは、切断肢、または今日ではより一般的には切断肢に装着されたライナーの石膏型を採取し、その石膏型から型を取ることで製作されます。一般的に使用される化合物は石膏（Plaster of Paris）と呼ばれます。[ 61 ]近年、より洗練された設計を可能にする、コンピュータに直接入力できる様々なデジタル形状キャプチャシステムが開発されています。一般的に、形状キャプチャプロセスは、切断者の切断肢から3次元（3D）形状データをデジタルで取得することから始まります。データは、プローブ、レーザースキャナー、構造化光スキャナー、または写真ベースの3Dスキャンシステムによって取得されます。[ 62 ]

形状キャプチャ後、ソケット製作の第2段階は修正と呼ばれ、骨突出部や潜在的な圧迫点にボリュームを追加し、荷重支持領域からボリュームを削除することで残存肢モデルを修正するプロセスです。これは、ポジティブモデルに石膏を追加または削除することで手動で行うことも、ソフトウェアでコンピュータモデルを操作することで仮想的に行うこともできます。[ 63 ]最後に、モデルが修正され完成したら、義肢ソケットの製作が始まります。義肢装具士は、ポジティブモデルを半溶融プラスチックシートまたはエポキシ樹脂でコーティングしたカーボンファイバーで包み、義肢ソケットを構築します。[ 60 ]コンピュータモデルの場合、柔軟性と機械的強度が異なるさまざまな材料を使用して3Dプリントできます。[ 64 ]

残存肢とソケットの最適な適合は、義肢全体の機能と使用にとって非常に重要です。残存肢とソケットアタッチメントの適合が緩すぎると、残存肢とソケットまたはライナーとの接触面積が減少し、残存肢皮膚とソケットまたはライナーとの間の隙間が増加します。その結果、圧力が高くなり、痛みを感じることがあります。空気の隙間に汗が溜まり、皮膚が柔らかくなる可能性があります。最終的には、かゆみを伴う発疹の頻繁な原因となります。時間が経つにつれて、皮膚の損傷につながる可能性があります。[ 15 ]一方、適合がきつすぎると、接触面の圧力が過度に高くなり、長期使用後に皮膚の損傷につながる可能性があります。[ 65 ]

義肢は典型的には以下のような手順で製造される。[ 58 ]

  1. 残存肢の測定
  2. 義肢に必要なサイズを決定するための身体の測定
  3. シリコンライナーの装着
  4. 断端に装着するライナーの模型の作成
  5. 模型の周囲に熱可塑性シートを形成– これはその後、義肢のフィット感をテストするために使用されます
  6. 永久ソケットの形成
  7. 義肢のプラスチック部品の成形 -真空成形や射出成形など、さまざまな方法が使用されます。
  8. ダイカストによる義肢の金属部品の作成
  9. 四肢全体の組み立て

体力駆動型アーム

現在の技術により、体力駆動型アームの重量は、筋電型アームの約半分から3分の1程度になる。

ソケット

現在の電動義肢には、硬質エポキシ樹脂またはカーボンファイバー製のソケットが組み込まれています。これらのソケット、つまり「インターフェース」は、骨の突出部を保護するための、より柔らかく圧縮可能なフォーム素材を裏打ちすることで、より快適性を高めることができます。セルフサスペンション型または顆頭型ソケットは、肘下欠損が短～中程度の患者に有効です。手足が長い場合は、サスペンションを強化するために、ロック式のロールオン式インナーライナーや、より複雑なハーネスの使用が必要になる場合があります。

手首

リストユニットは、UNF 1/2-20 スレッド (米国) を備えたねじ込み式コネクタまたはクイックリリース コネクタのいずれかであり、さまざまなモデルがあります。

自主的な開店と閉店

身体駆動システムには、自発的に開く「引いて開く」タイプと、自発的に閉じる「引いて閉じる」タイプの2種類があります。事実上、スプリットフック型義肢は自発的に開くタイプのシステムで作動します。

より現代的な「把持装置」、いわゆるGRIPSは、自発的な閉鎖システムを利用しています。両者には大きな違いがあります。自発的な開放システムを使用する人は、ゴムバンドやバネを使って把持力を得ますが、自発的な閉鎖システムを使用する人は、自身の体力とエネルギーを使って把持力を得ます。

自発的に閉じるタイプのグリップは、通常の手と同等の、最大100ポンド（約45kg）を超える握力を発揮できます。自発的に閉じるタイプのグリップは、人間の手のように一定の張力で握る必要があり、その特性により人間の手に近いパフォーマンスを発揮します。自発的に開くタイプのスプリットフックは、ゴムやスプリングが生み出せる力に制限があり、通常は20ポンド（約9kg）未満です。

フィードバック

もう一つの違いは、ユーザーが掴んでいるものを「感じる」ことができるバイオフィードバックです。自発的に開くシステムは、作動すると保持力を発生させ、アームの先端で受動的なバイスのように機能します。フックが掴んでいる物体をしっかりと閉じた後は、グリップのフィードバックは提供されません。自発的に閉じるシステムは、正比例制御とバイオフィードバックを提供するため、ユーザーは自分がどれだけの力を加えているかを感じることができます。

1997年、ラテンアメリカのバイオニクス研究者であるコロンビアのアルバロ・リオス・ポベダ教授は、感覚フィードバック機能を備えた上肢義手を開発しました。この技術により、切断患者は義手システムをより自然な方法で操作できるようになります。[ 66 ]

最近の研究では、義手から供給される人工センサーからの情報に基づいて正中神経と尺骨神経を刺激することで、切断者に生理学的に適切な（自然に近い）感覚情報を提供できることが示されました。このフィードバックにより、被験者は視覚や聴覚によるフィードバックなしに、義手の把持力を効果的に調整することができました。[ 67 ]

2013年2月、スイスのローザンヌ連邦工科大学とイタリアの聖アンナ高等学校の研究者らが、切断患者の腕に電極を埋め込み、患者に感覚フィードバックを与え、義手をリアルタイムで制御できるようにした。 [ 68 ]上腕の神経にワイヤーを繋ぐことで、このデンマーク人患者は物を扱ったり、シルヴェストロ・ミセラとスイス、イタリアの研究者らが作った特殊な義手を通して瞬時に触覚を受け取ったりすることができた。[ 69 ]

2019年7月、この技術はユタ大学のジェイコブ・ジョージ率いる研究者によってさらに発展しました。研究者グループは患者の腕に電極を埋め込み、いくつかの感覚指令をマッピングしました。次に、各電極を刺激して各感覚指令がどのようにトリガーされたかを把握し、感覚情報を義肢にマッピングします。これにより、研究者は患者が生来の手から受け取るのと同じ種類の情報をかなり正確に近似することができます。残念ながら、この腕は一般のユーザーが購入するには高価すぎますが、ジェイコブは保険会社が義肢の費用を負担できる可能性があると述べています。[ 70 ]

端末デバイス

端末デバイスには、さまざまなフック、把持装置、ハンド、その他のデバイスが含まれます。

フック

自発的に開くスプリットフックシステムは、シンプルで便利、軽量、頑丈、多用途で、比較的手頃な価格です。

フックは、外見や全体的な汎用性の点で通常の人間の手には及びませんが、その材質許容範囲は、機械的ストレス（通常の手では不可能な、箱を切り開けたりハンマーとして使用したりするためにフックを使用することもできます）、熱安定性（沸騰したお湯から物をつかむ、グリルで肉をひっくり返す、マッチが完全に燃え尽きるまで持つためにフックを使用する）、および化学的危険性（金属製のフックは酸や苛性ソーダに耐え、義手手袋や人間の皮膚のように溶剤に反応しない）に関して通常の人間の手を超え、凌駕します。

手
俳優オーウェン・ウィルソンがアメリカ海兵隊の筋電義手を握っている

義手には、自発的に開くタイプと自発的に閉じるタイプの両方があり、より複雑な機構と装飾的な手袋のカバーのために比較的大きな作動力が必要であり、使用するハーネスのタイプによっては不快感を感じることがある。[ 71 ]オランダのデルフト工科大学による最近の研究では、機械式義手の開発は過去数十年にわたって無視されてきたことが示された。この研究では、現在のほとんどの機械式の手の挟む力のレベルは実用には低すぎることが示された。[ 72 ]最もよくテストされた手は、1945年頃に開発された義手であった。しかし、2017年にウィーン医科大学のローラ・フルビーによってバイオニックハンドの研究が開始された。[ 73 ] [ 74 ]オープンハードウェアの3Dプリント可能なバイオニックハンドもいくつか利用可能になっている。[ 75 ]患者の上腕にフィットする前腕部が一体となったロボットハンドを製造している企業もいくつかある[ 76 ] [ 77 ] 。また、2020年にはイタリア工科大学（IIT）で前腕部が一体となった別のロボットハンド（Soft Hand Pro）が開発された[ 78 ] 。

商業プロバイダーと材料

ホズマー社とオットー・ボック社は、フックの主要商用供給業者である。機械式義手もホズマー社とオットー・ボック社によって販売されており、ベッカーハンドは現在もベッカー家によって製造されている。義手には、標準装備のシリコン手袋、または特注の化粧用シリコン手袋を装着することができる。また、通常の作業用手袋の着用も可能である。その他の端末装置としては、顧客が様々な変更を加えることができる多用途で堅牢なグリッパーであるV2P Prehensor、様々なツールを揃えたTexas Assist Devices、そしてスポーツ用の様々な端末装置を提供するTRSなどがある。ケーブルハーネスは、航空機用鋼線、ボールヒンジ、自己潤滑性ケーブルシースを使用して構築することができる。一部の義手は、海水中での使用に特化して設計されている。[ 79 ]

下肢義肢

エリー・コールが装着した義足

下肢義肢とは、股関節レベル以下の人工的に置換された四肢を指します。Ephraimら（2003）は、全年齢層において、世界全体のあらゆる原因による下肢切断の推定数を人口10,000人あたり2.0～5.9人としています。また、先天性四肢欠損の出生率については、出生10,000人あたり3.5～7.1人と推定されています。[ 80 ]

下肢義肢には、主に脛骨切断（脛骨を切断した場合、または先天異常により脛骨欠損が生じた場合）と大腿骨切断（大腿骨を切断した場合、または先天異常により大腿骨欠損が生じた場合）の2つのサブカテゴリがあります。義肢業界では、脛骨義足は「BK」または膝下義足、大腿骨義足は「AK」または膝上義足と呼ばれることがよくあります。

その他のあまり一般的ではない下肢の症例としては、以下のものがあります。

  1. 股関節離断症 - これは通常、切断患者または先天性疾患のある患者において、股関節またはその近傍に切断または異常がある場合を指します。股関節置換術を参照してください。
  2. 膝関節離断 – これは通常、膝を切断し、大腿骨と脛骨を分離することを指します。膝関節置換術を参照してください。
  3. サイムズ – これはかかとパッドを温存しながら足首を離断する手術です。

ソケット

ソケットは、残存骨と義肢の間のインターフェースとして機能し、快適な体重負荷、運動制御、固有受容感覚を理想的に可能にします。[ 81 ]ソケットの問題、例えば不快感や皮膚の損傷は、下肢切断者が直面する最も重要な問題の一つに数えられています。[ 82 ]

シャンクとコネクタ

この部分は、膝関節と足部（大腿義足の場合）、またはソケットと足部の間に距離と支持を提供します。脛骨と膝/足部の間に使用されるコネクタの種類によって、義足がモジュール式かどうかが決まります。モジュール式とは、ソケットに対する足部の角度と変位を装着後に変更できることを意味します。発展途上国では、コスト削減のため、ほとんどの義足はモジュール式ではありません。子供の場合、平均して年間1.9cm成長するので、角度と高さのモジュール性は重要です。[ 83 ]

足は地面と接触することで、立位時に衝撃を吸収し、安定性をもたらします。[ 84 ]さらに、足はその形状と剛性により歩行バイオメカニクスに影響を及ぼします。これは、圧力中心（COP）の軌道と地面反力の角度が足の形状と剛性によって決定され、正常な歩行パターンを生み出すためには対象の体格に一致する必要があるためです。[ 85 ] Andrysek（2010）は16種類の異なる足を発見しましたが、耐久性とバイオメカニクスに関する結果は大きく異なっていました。現在の足に見られる主な問題は耐久性であり、耐久期間は16か月から32か月です。[ 86 ]これらの結果は成人のものであり、活動レベルが高くスケール効果があるため、子供の場合はおそらく結果が悪くなります。異なるタイプの足と足首の義足を比較したエビデンスは、足首/足の1つのメカニズムが他のメカニズムより優れているかどうかを判断できるほど強力ではありません。[ 87 ]デバイスを決定する際には、デバイスのコスト、個人の機能的ニーズ、特定のデバイスの入手可能性を考慮する必要があります。[ 87 ]

膝関節

大腿切断（膝上）の場合も、遊脚期には屈曲できるものの立脚時には屈曲できないような関節を提供する複雑なコネクタが必要である。人工膝関節は膝を置換することが目的であるため、大腿切断者にとって最も重要な義肢部品である。優れた人工膝関節の機能は、正常な膝の機能を模倣することであり、例えば、立脚期には構造的支持と安定性を提供し、遊脚期には制御可能な屈曲を可能にする。したがって、ユーザーはスムーズでエネルギー効率の良い歩行が可能となり、切断の影響を最小限に抑えることができる。[ 88 ]人工膝関節は、通常アルミニウムまたはグラファイトチューブで作られたシャンクによって義足に接続される。

義足膝関節の最も重要な側面の一つは、立脚相制御機構である。立脚相制御の機能は、体重受入れ時に脚に荷重がかかった際に脚の座屈を防ぐことである。これにより、立脚相という片脚支持動作を支えるための膝の安定性が確保され、遊脚相へのスムーズな移行が実現される。立脚相制御は、機械式ロック、[ 89 ]、義足部品の相対的なアライメント、[ 90 ] 、体重作動摩擦制御、[ 90 ]、多軸機構など、いくつかの方法で実現できる。[ 91 ]

マイクロプロセッサ制御

歩行中の膝の機能を模倣するために、マイクロプロセッサ制御の膝関節が開発され、膝の屈曲を制御しています。例としては、 1997年に発表されたオットー・ボック社のC-leg、 2005年に発表されたオズール社のRheo Knee、2006年に発表されたオズール社のPower Knee、Freedom Innovations社のPlié Knee、そしてDAW Industries社のSelf Learning Knee（SLK）などが挙げられます。[ 92 ]

このアイデアはもともと、アルバータ大学のカナダ人エンジニア、ケリー・ジェームズによって開発されました。[ 93 ]

マイクロプロセッサは、膝角度センサーとモーメントセンサーからの信号を解釈・分析するために使用されます。マイクロプロセッサはセンサーからの信号を受信し、切断者の動作の種類を判断します。マイクロプロセッサ制御の膝関節のほとんどは、義肢に内蔵されたバッテリーから電力を供給されます。

マイクロプロセッサによって演算されたセンサー信号は、膝関節内の油圧シリンダーによって発生する抵抗を制御するために使用されます。小型バルブがシリンダーに出入りする油圧液の量を制御し、膝関節の上部に接続されたピストンの伸長と圧縮を制御します。[ 43 ]

マイクロプロセッサ制御の義肢の主な利点は、切断者の自然な歩行に近づけることです。一部の義肢では、切断者は歩行速度に近い速度で歩いたり、走ったりすることができます。速度の変化も可能で、センサーがそれを感知してマイクロプロセッサに伝達し、マイクロプロセッサはそれに応じて速度を調整します。また、機械式膝関節のように一歩ずつではなく、階段を一歩ずつ降りることも可能になります。[ 94 ]マイクロプロセッサ制御の義肢を装着した人は、機能性、残存肢の健康状態、安全性において、より高い満足度と改善を報告しているという研究結果もあります。[ 95 ]日常の活動をマルチタスク中でもより速く行うことができ、転倒のリスクを軽減できる可能性があります。[ 95 ]

しかし、中には使用に支障をきたす重大な欠点を持つものもあります。水による損傷を受けやすいため、義肢が常に乾燥した状態を保つよう細心の注意を払う必要があります。[ 96 ]

筋電式

筋電義肢は、筋肉が収縮するたびに発生する電気的張力を情報として利用する。この張力は、皮膚に貼付した電極によって随意に収縮した筋肉から捕捉され、肘の屈曲・伸展、手首の回外・回内（回転）、指の開閉など、義肢の動きを制御する。この種の義肢は、人体に残存する神経筋系を利用して、電動の義手、義手首、義肘、義足の機能を制御する。[ 97 ]これは、義肢の動きを制御するスイッチを作動または操作するために、体の動きによって作動するストラップやケーブルを必要とする電気スイッチ義肢とは異なる。筋電式上肢義肢が身体駆動型義肢よりも優れているという明確な証拠はない。[ 98 ]筋電義肢を使用する利点としては、審美性が向上する可能性（このタイプの義肢はより自然な外観になる）、軽い日常活動に適している、幻肢痛のある人に有益であるなどが挙げられる。[ 98 ]身体駆動型義肢と比較すると、筋電義肢は耐久性が低く、訓練に時間がかかり、調整やメンテナンスの回数が多く、使用者へのフィードバックが提供されないという問題がある。[ 98 ]

アルバロ・リオス・ポベダ教授は、このフィードバック問題に対する非侵襲的で手頃な価格の解決策を長年研究してきました。彼は次のように述べています。「思考で制御できる義肢は、切断者にとって大きな可能性を秘めていますが、脳に返される信号からの感覚フィードバックがなければ、精密な動作を行うために必要なレベルの制御を達成することは困難です。機械の手の触覚を直接脳に接続することで、義肢は切断された手足をほぼ自然な感覚で回復させることができます。」彼は、1997年にフランスのニースで開催された第18回世界医学物理学・生物医学工学会議で、感覚フィードバックを備えた最初の筋電義手を発表しました。[ 99 ] [ 100 ]

ソ連は1958年に初めて筋電義肢を開発し、[ 101 ]、最初の筋電義肢は1964年にソ連中央義肢研究所によって商品化され、英国のハンガー・リム・ファクトリーによって販売された。[ 102 ] [ 103 ]筋電義肢は高価で、定期的なメンテナンスが必要であり、汗や湿気に敏感である。

ロボット義肢

3D義手の動き（標的への攻撃）を脳で制御する様子。この動画は、研究室で被験者が義手の3Dの動きを制御し、物理的な標的を攻撃する様子を撮影したものです。

ロボットは、患者の機能障害や治療成果の客観的な尺度を生成し、診断を支援し、患者の運動能力に基づいて治療法をカスタマイズし、治療計画の遵守を確保し、患者の記録を維持するために使用できます。多くの研究で、上肢リハビリテーション用ロボットを使用することで、脳卒中後の上肢運動機能が大幅に改善されることが示されています。[ 104 ] ロボット義肢が機能するためには、身体機能に統合するためのいくつかのコンポーネントが必要です。バイオセンサーは、ユーザーの神経系または筋肉系からの信号を検出します。次に、この情報をデバイス内部のマイクロコントローラーに中継し、義肢とアクチュエータからのフィードバック（位置や力など）を処理してコントローラーに送信します。例としては、皮膚上の電気活動を検出する表面電極、筋肉に埋め込まれた針電極、神経が成長している固体電極アレイなどがあります。これらのバイオセンサーの1つのタイプは、筋電義肢に使用されています。

コントローラーと呼ばれるデバイスは、ユーザーの神経系と筋肉系、そしてデバイス自体に接続されています。コントローラーは、ユーザーからの意図的なコマンドをデバイスのアクチュエータに送信し、機械センサーとバイオセンサーからのフィードバックを解釈してユーザーに伝えます。また、デバイスの動きの監視と制御も担っています。

アクチュエータは、筋肉の動きを模倣して力と動きを生み出します。例としては、筋肉組織を補助したり、本来の筋肉組織を置き換えたりするモーターが挙げられます。

標的筋再神経支配（TMR）は、切断された手足の筋肉を制御していた運動神経を、大胸筋などの損傷のない大きな筋肉の小さな領域を再神経支配するように外科的に再配置する技術です。その結果、患者が失った手の親指を動かそうとすると、胸部の小さな筋肉領域が収縮するようになります。再神経支配された筋肉にセンサーを配置することで、これらの収縮を利用してロボット義肢の適切な部分の動きを制御することができます。[ 105 ] [ 106 ]

この技術の派生形として、標的感覚再神経支配（TSR）と呼ばれるものがあります。この手術はTMRに似ていますが、運動神経を筋肉に再配置するのではなく、感覚神経を胸部の皮膚に外科的に再配置する点が異なります。近年、ロボット義肢は人間の脳からの信号を受け取り、それを義肢の動作に変換する能力が向上しています。国防総省の研究部門であるDARPAは、この分野でさらなる進歩を目指しています。彼らの目標は、神経系に直接接続する義肢を開発することです。[ 107 ]

ロボットアーム

筋電義手に使用されるプロセッサの進歩により、開発者は義手の微調整制御の精度を向上させることができました。ボストン・デジタル・アームは、これらの高度なプロセッサを活用した最近の義肢です。このアームは5軸の動きが可能で、よりカスタマイズされた感覚に合わせてアームをプログラムすることができます。最近、スコットランドのエディンバラでデビッド・ガウによって発明されたI-LIMBハンドは、 5本の個別に駆動する指を備えた最初の市販義手となりました。この手には手動で回転可能な親指があり、ユーザーが受動的に操作することで、精密、力、キーグリップの各モードで握ることができます。[ 108 ]

もう一つの神経補綴物は、ジョンズ・ホプキンス大学応用物理学研究所のProto 1である。同大学は、Proto 1に加え、2010年にProto 2も完成させた。 [ 109 ] 2013年初頭、スウェーデンのチャルマース工科大学とサールグレンスカ大学病院のマックス・オルティス・カタランとリカード・ブローネマークは、心で制御され、体に永久的に取り付けることができる（骨結合を使用）初のロボットアームの開発に成功した。[ 110 ] [ 111 ] [ 112 ]

非常に有用なアプローチは、腕の回転と呼ばれるもので、片側切断者（体の片側のみを切断した人）によく用いられます。また、両腕または両脚を失った、あるいは切断した両腕または両脚を失った人（両脚切断者）にとっても、日常生活を送る上で不可欠です。このアプローチでは、上肢切断者の残存骨の遠位端に小型の永久磁石を挿入します。対象者が残存腕を回転させると、磁石も残存骨とともに回転し、磁場分布の変化を引き起こします。[ 113 ]頭皮に貼り付けた小さな平らな金属板を用いて検出されるEEG（脳波）信号は、人間の脳活動を解読し、身体動作に利用されます。これにより、ユーザーはロボットアームを直接操作することができます。[ 114 ]

ロボット下腿義足

ロボット脚の研究は時間の経過とともに進歩し、正確な動きと制御が可能になりました。

シカゴ・リハビリテーション研究所の研究者たちは2013年9月、ユーザーの大腿筋からの神経インパルスを動作に変換するロボット脚を開発したと発表した。これは、このような機能を備えた義足としては世界初となる。現在、試験中である。[ 115 ]

MITメディアラボのバイオメカトロニクスグループの責任者であるヒュー・ヘア氏は、ロボット下腿義足（PowerFoot BiOM）を開発した。[ 116 ] [ 117 ]

アイスランドの企業Össurも、電動足首を備えたロボット下腿義足を開発しました。この義足は、アルゴリズムとセンサーによって動き、装着者の歩行のさまざまな段階で足の角度を自動的に調整します。また、脳制御のバイオニック・レッグも開発されており、無線送信機を使って手足を動かすことができます。[ 118 ]

義肢設計

ロボット義足の主な目的は、歩行中に能動的な動作を提供して、歩行のバイオメカニクス（切断患者の安定性、対称性、エネルギー消費など）を改善することです。[ 119 ]現在市場にはいくつかの電動義足があり、アクチュエータが関節を直接駆動する完全電動義足や、少量のエネルギーと小型アクチュエータを使用して義足の機械的特性を変えるものの、歩行に正味の正のエネルギーを注入しない半能動義足があります。具体的な例としては、BionXのemPOWER、OssurのProprio Foot、EndoliteのElan Footなどがあります。[ 120 ] [ 121 ] [ 122 ]また、過去10年間に様々な研究グループがロボット義足の実験を行ってきました。[ 123 ]現在研究されている中心的な課題には、立位および遊脚期におけるデバイスの挙動設計、現在の歩行課題の認識、そして堅牢性、重量、電池寿命／効率、騒音レベルといった様々な機械設計上の問題が含まれます。しかしながら、スタンフォード大学とソウル国立大学の科学者たちは、義肢の感覚を助ける人工神経システムを開発しました。[ 124 ]この合成神経システムにより、義肢は点字を感知し、触覚を感じ、環境に反応することが可能になります。[ 125 ] [ 126 ]

リサイクル材料の使用

世界中でリサイクルされたペットボトルや蓋から義肢が作られています。[ 127 ] [ 128 ] [ 129 ] [ 130 ] [ 131 ]

直接骨付着と骨結合

ほとんどの義肢は、体外に非恒久的に固定されます。断端ソケット法は患者に深刻な痛みを引き起こす可能性があるため、骨に直接固定する方法が広く研究されてきました。

オッセオインテグレーションとは、人工関節インプラントを用いて人工肢を身体に固定する方法です。この方法は、エキソプロテーゼ（骨に人工肢を固定する）またはエンドエキソプロテーゼとも呼ばれます。 エンドプロテーゼとは、膝関節や股関節の人工関節インプラントのように、完全に身体の内側に留まる人工関節インプラントです。

この方法は、まず断端の骨にチタンボルトを挿入します。数ヶ月後、骨がチタンボルトに接着し、その上にアバットメントが取り付けられます。アバットメントは断端から突出し、（取り外し可能な）義肢がアバットメントに取り付けられます。この方法の利点には、以下のようなものがあります。

  • 義肢の筋肉制御が向上します。
  • 義歯を長期間装着する能力。これは、断端ソケット法では不可能です。
  • 大腿切断者が車を運転できる能力。

この方法の主な欠点は、骨が直接付着している切断患者は、骨折の可能性があるため、ジョギング中などに経験するような大きな衝撃を手足に与えることができないことである。[ 15 ]

コスメシス

美容用の義肢は、怪我や外見上の損傷を隠すために長い間使われてきました。現代の技術の進歩により、シリコンやPVCでできた生きているような手足を作る、いわゆるコスメシス（美容術）が可能になりました。[ 132 ]義手などのこうした義肢は現在、そばかすや静脈、髪、指紋、タトゥーまでも含め、本物の手の外観を模倣するように設計できます。オーダーメイドのコスメシスは一般的に高価（細部のレベルに応じて数千ドル）ですが、標準的なコスメシスは様々なサイズであらかじめ作られていますが、オーダーメイドのコスメシスほどリアルではない場合が多いです。もう 1 つの選択肢は、カスタムメイドのシリコン カバーで、これは人の肌の色調に合わせて作ることができますが、そばかすやしわなどの細部には合わせることができません。コスメシスは、接着剤、吸引、フォームフィット、伸縮性皮膚、皮膚スリーブなど、さまざまな方法で体に取り付けられます。

認知

神経運動補綴装置とは異なり、神経認知補綴装置は神経機能を感知または調節することで、実行機能、注意、言語、記憶などの認知プロセスを物理的に再構成または増強する。現在利用可能な神経認知補綴装置はないが、脳卒中、外傷性脳損傷、脳性麻痺、自閉症、アルツハイマー病などの症状の治療に役立てるために、埋め込み型神経認知脳コンピュータインターフェースの開発が提案されている。[ 133 ] 認知支援技術の最近の分野は、人間の認知を増強する技術の開発に関係している。Neuropageなどのスケジュール管理装置は、記憶障害のあるユーザーに、医者に行くなどの特定の活動をいつ行うべきかを思い出させる。PEAT、AbleLink、Guideなどのマイクロプロンプト装置は、記憶や実行機能の問題のあるユーザーが日常生活の活動を行うのを支援するために使用されている。

補綴物の強化

ジェロッド・フィールズ軍曹は、カリフォルニア州チュラビスタにある米国オリンピックトレーニングセンターでトレーニングを行っている。

日常使用のための標準的な義肢に加えて、多くの切断患者や先天性疾患患者は、スポーツやレクリエーション活動への参加を助ける特別な義肢や装置を使用しています。

SFの世界では、そして最近では科学界においても、健康な身体の一部を人工的なメカニズムやシステムに置き換え、機能を向上させる高度な義肢の使用が検討されています。このような技術の倫理性と望ましさについては、トランスヒューマニスト、他の倫理学者、そして一般の人々の間で議論されています。[ 134 ] [ 135 ] [ 136 ] [ 137 ]脚、腕、手、足などの身体部分は置き換え可能です。

健康な個人を対象とした最初の実験は、英国の科学者ケビン・ワーウィックによるものと思われる。2002年、ワーウィックの神経系にインプラントが直接接続された。約100個の電極からなる電極アレイが正中神経に埋め込まれた。生成された信号は非常に精細で、ロボットアームがワーウィック自身の腕の動きを模倣し、インプラントを介して触覚フィードバックを提供することができた。[ 138 ]

ディーン・ケイメンのDEKA社は、高度な神経制御義肢「ルークアーム」を開発しました。臨床試験は2008年に開始され[ 139 ] 、2014年にFDAの承認を取得し、ユニバーサル・インスツルメンツ社による商業生産は2017年に開始される予定です。モビウス・バイオニクス社による小売価格は約10万ドルになると予想されています[ 140 ] 。

2019年4月に行われた更なる研究により、3Dプリントされたパーソナライズされたウェアラブルシステムの義肢機能と快適性が向上しました。プリント後に手作業で組み立てる代わりに、義肢と装着者の組織の接合部に電子センサーを組み込むことで、装着者の組織にかかる圧力などの情報を収集することができ、この種の義肢の更なる改良に役立ちます。[ 141 ]

オスカー・ピストリウス

2008年初頭、南アフリカの「ブレードランナー」オスカー・ピストリウスは、下腿義足が足首のないランナーに対して不当なアドバンテージを与えているとされ、 2008年夏季オリンピックへの出場資格を一時的に剥奪されました。ある研究者は、ピストリウスの義足は、同じ速度で走る健常者よりもエネルギー消費量が25%少ないことを発見しました。この判決は控訴審で覆され、控訴裁判所はピストリウスの義足の総合的な利点と欠点が考慮されていないと判断しました。

ピストリウスはオリンピックの南アフリカチームの資格を得られなかったが、2008年夏季パラリンピックで優勝し、将来のオリンピックに出場できる資格があると判断された。彼は2011年に韓国で開催された世界選手権に出場し、準決勝に進出したが、タイム的には最下位に終わった。彼は1回戦で14位だったが、400メートルの自己ベストは決勝で5位に相当した。2012年のロンドン夏季オリンピックでは、ピストリウスはオリンピックで競技した初の切断ランナーとなった。[ 142 ]彼は400メートルレース準決勝、[ 143 ] [ 144 ] [ 145 ]と4×400メートルリレーレース決勝に出場した。[ 146 ]彼はまた、 2012年のロンドン夏季パラリンピックの5つの種目に出場した。[ 147 ]

設計上の考慮事項

下腿義足の設計には、考慮すべき要素が複数あります。メーカーは、これらの要素に関して優先順位を決定する必要があります。

パフォーマンス

それでも、ソケットと足の構造にはアスリートにとって非常に重要な要素があり、これらは今日のハイテク義肢メーカーの焦点となっています。

  • フィット – 運動能力の高い切断患者や骨が残存している患者は、ソケットのフィットを慎重に調整する必要があるかもしれません。活動量の少ない患者は、「トータルコンタクト」フィットとジェルライナーで快適に過ごせるかもしれません。
  • エネルギーの貯蔵と回収 - 地面との接触によって得られたエネルギーの貯蔵と、その貯蔵されたエネルギーの推進力としての利用
  • エネルギー吸収 - 筋骨格系への高衝撃の影響を最小限に抑える
  • 地面コンプライアンス - 地形の種類や角度に依存しない安定性
  • 回転 – 方向転換のしやすさ
  • 重量 - 快適性、バランス、スピードを最大化
  • サスペンション – ソケットが四肢にどのように接続されフィットするか

他の

購入者は、他のさまざまな要素も考慮します。

  • 化粧品
  • 料金
  • 使いやすさ
  • サイズの在庫状況

義肢のデザイン

義肢装具と義肢デザインの重要な特徴は、「障害のためのデザイン」という考え方です。これは、障害を持つ人々が公平なデザインに参加できるという良い考えのように聞こえるかもしれませんが、残念ながらそうではありません。障害のためのデザインという考え方には、まず障害の根底にある意味合いが問題となります。この考え方は、切断者に対し、移動や歩行には正しい方法と間違った方法があり、切断者が自らの力で周囲の環境に適応するのであれば、それは間違った方法だと教え込んでしまいます。こうした障害の根底にある意味合いに加え、障害のためのデザインを行う人の多くは、実際には障害を持っていません。こうした経験に基づく「障害のためのデザイン」は、障害を対象と捉え、障害を持たないデザイナーは、自身の経験のシミュレーションから自分の仕事について正しく学んだと感じています。このシミュレーションは誤解を招きやすく、障害を持つ人々に不利益をもたらします。したがって、そこから生まれるデザインは非常に問題があります。障害のためのデザインに取り組む際は、理想的には、関連する障害を持ち、研究にとって重要なコミュニティに属するチームメンバーと共に行うべきです。[ 148 ]その結果、日々の個人的な経験がどのようなものか知らない人々が、実際に障害を持つ人々のニーズを満たさない、あるいはそのニーズを妨げるような教材を設計することになる。

コストと供給源の自由

高コスト

アメリカ合衆国では、典型的な義肢の費用は、患者が希望する義肢の種類に応じて15,000ドルから90,000ドルの間である。医療保険では、患者は通常、義肢の総費用の10％から50％を支払い、保険会社が残りの費用を負担する。患者の負担率は、保険プランの種類と患者が希望する義肢によって異なる。[ 149 ]イギリス、ヨーロッパの多くの国、オーストラリア、ニュージーランドでは、義肢の全費用は、国の資金援助または法定保険で賄われている。例えば、オーストラリアでは、病気による切断の場合は国の制度によって、ほとんどの外傷性切断の場合は労働者災害補償保険または交通傷害保険によって義肢の費用が全額負担されている。[ 150 ] 2017年から2020年にかけて全国的に展開されている国家障害保険制度でも義肢の費用が支給さ れる。

経橈骨義肢（肘下切断）と下脛骨義肢（膝下切断）の費用は通常6,000～8,000米ドルであるのに対し、経大腿義肢（膝上切断）と経上腕義肢（肘上切断）の費用は約2倍の10,000～15,000米ドルで、場合によっては35,000米ドルに達することもある。義肢の費用は繰り返し発生することが多く、義肢は日常的な使用による摩耗のため、通常は3～4年ごとに交換する必要がある。さらに、ソケットのフィットに問題がある場合は、痛みが生じてから数ヶ月以内にソケットを交換する必要がある。高さが問題となる場合は、パイロンなどの部品を交換することができる。[ 151 ]

患者は複数の義肢の費用を支払う必要があるだけでなく、義肢のある生活に適応するために必要な理学療法や作業療法の費用も支払う必要があります。義肢の継続的な費用とは異なり、患者が切断者として生活する最初の1～2年間は、理学療法と作業療法に通常2,000ドルから5,000ドルしか支払う必要がありません。患者が新しい義肢で力強くなり、快適に過ごせるようになれば、もう治療に通う必要はありません。生涯を通じて、典型的な切断患者は手術、義肢、そして理学療法を含め、140万ドル相当の治療費を負担すると予測されています。[ 149 ]

低コスト

安価な膝上義足は、多くの場合、基本的な構造的サポートしか提供せず、機能が限られています。この機能は、粗雑で、関節が動かず、不安定で、あるいは手動でロックする膝関節によって実現されることが多いです。赤十字国際委員会（ICRC）など、限られた数の組織が開発途上国向けの義足を開発しています。CR Equipments社が製造する義足は、単軸で手動操作のロック式ポリマー製義足膝関節です。[ 152 ]

表. 文献レビューに基づく膝関節技術のリスト。[ 86 ]

技術名（原産国）簡単な説明最高レベルの

証拠

ICRC膝（スイス）手動ロック付き単軸独立分野
ATLAS膝（英国）重量作動摩擦独立分野
POF/OTRC膝（米国）単軸（補助機能付き）分野
DAV/シアトル膝（米国）準拠多中心分野
LIMBSインターナショナルM1膝（米国）4バー分野
ジャイプールニー（インド）4バー分野
LCKnee（カナダ）自動ロック付き単軸分野
提供なし（ネパール）単軸分野
提供なし（ニュージーランド）回転成形単軸分野
提供なし（インド）スクワット付き6バー技術開発
摩擦膝（米国）重量作動摩擦技術開発
ウェッジロック膝（オーストラリア）重量作動摩擦技術開発
SATHI摩擦膝（インド）重量作動摩擦利用可能なデータは限られている
低価格の膝上義肢：ICRC Knee（左）とLC Knee（右）

セバスチャン・デュボワが設計した低コストの義足の計画は、2007年にデンマークのコペンハーゲンで開催された国際デザイン展・アワードで発表され、インデックス賞を受賞した。この計画では、主にグラスファイバー製のエネルギーリターン義足を8ドルで製造できる。[ 153 ]

1980年代以前の義足は、基本的な歩行能力を回復させるに過ぎませんでした。初期の義足は、残存肢を地面に繋ぐシンプルな人工的なアタッチメントを特徴としていました。

1981年にシアトル・フット（シアトル・リム・システムズ）が発表され、この分野に革命をもたらし、エネルギー貯蔵型義足（ESPF）というコンセプトが注目を集めました。他の企業もすぐに追随し、まもなく複数のエネルギー貯蔵型義足モデルが市場に登場しました。各モデルは、圧縮可能なかかとを採用しています。かかとが接地初期に圧縮され、エネルギーを蓄え、接地後半でエネルギーを放出することで、身体を前進させる推進力となります。

それ以来、義足業界は、性能、快適性、市場性における着実な小さな改善によって支配されてきました。

3Dプリンターでは金型を必要とせず単一の製品を製造することが可能であるため、コストを大幅に削減することができます。[ 154 ]

インドのジャイプール発祥の義肢「ジャイプールフット」は約40ドルかかる。

オープンソースのロボット義肢

Open Bionicsによるスターウォーズをテーマにした「ヒーローアーム」

現在、 「Open Prosthetics Project 」として知られるオープンデザインの義手フォーラムが存在します。このグループは、協力者やボランティアを雇用し、義手技術の発展と、必要な機器のコスト削減に取り組んでいます。[ 155 ] Open Bionicsは、オープンソースのロボット義手を開発している企業です。彼らは3Dプリンティングを用いて義手の製造を行い、低価格の3Dスキャナーを用いて特定の患者の断端に装着しています。Open Bionicsの3Dプリンティング技術は、ユーザーの好みの色、質感、さらには美的感覚を取り入れ、スーパーヒーローやスターウォーズのキャラクターのような外観を実現する「Hero Arm」など、よりパーソナライズされたデザインを可能にし、コスト削減を目指しています。様々な印刷義手に関するレビュー研究では、3Dプリンティング技術は個別化された義手設計に有望であり、市販の義手よりも安価で、射出成形などの大量生産プロセスよりも高価であることが明らかになりました。同研究では、3Dプリントされた義手の機能性、耐久性、ユーザーの受容性に関する証拠がまだ不足していることも判明した。[ 156 ]

子供向けの低価格義肢

サリドマイド中毒の少年患者への義肢1961-1965

アメリカ合衆国では、推定32,500人の子供（21歳未満）が小児切断手術を受けており、毎年5,525件の新規症例が発生し、そのうち3,315件は先天性であった。[ 157 ]

Carrら（1998）は、アフガニスタン、ボスニア・ヘルツェゴビナ、カンボジア、モザンビークの14歳未満の子供の地雷による切断を調査し、それぞれ1000人あたり4.7、0.19、1.11、0.67という推定値を示しました。[ 158 ] Mohan（1986）は、インドで合計424,000人の切断者（年間23,500人）がおり、そのうち10.3％は14歳未満で障害を発症し、インドだけで約43,700人の四肢欠損児がいると指摘しました。[ 159 ]

子供向けに特別に開発された低コストのソリューションはほとんどありません。低コストの義肢の例としては、以下のようなものがあります。

ポールと松葉杖

革製のサポートバンドまたは四肢用プラットフォームを備えた手持ちのポールは、最もシンプルで安価な解決策の一つです。短期的な解決策としては有効ですが、四肢を毎日可動域（RoM）セットでストレッチしないと、急速に拘縮が生じやすくなります。[ 83 ]

竹、PVC、または石膏製の手足

この非常にシンプルな解決策は、石膏製のソケットの底に竹またはPVC製のパイプを取り付けたもので、必要に応じて義足に取り付けることもできます。この解決策では、膝関節可動域全体を動かすため、拘縮を予防できます。村の障害児支援のためのオンラインデータベースであるDavid Werner Collectionには、これらの解決策の製作マニュアルが掲載されています。[ 160 ]

調整可能な自転車リム

この解決策は、自転車のシートポストを逆さまにして足として利用することで、柔軟性と（長さの）調整性を実現しています。地元で入手可能な材料を使用した、非常に安価な解決策です。[ 161 ]

サティ・リム

これはインド製の内骨格モジュール式下肢で、熱可塑性プラスチック部品を使用しています。主な利点は軽量で適応性に優れていることです。[ 83 ]

モノリム

モノリムは非モジュール式の義肢であり、製作後にアライメントを変更することがほとんどできないため、正確な装着にはより経験豊富な義肢装具士が必要となる。しかしながら、モノリムの耐久性は、低コストのモジュール式義肢よりも平均的に優れている。[ 162 ]

文化と社会理論の視点

多くの理論家が、身体の義肢による拡張の意味と影響について考察してきた。エリザベス・グロスは次のように述べている。「生き物は道具、装飾品、器具を用いて身体能力を増強する。彼らの身体には何かが欠けており、それを人工器官や代替器官で補う必要があるのだろうか？…あるいは逆に、義肢は、美的再編成と増殖という観点から、実用的な必要性を超えて、あるいはおそらくはそれに反抗して機能する発明性の結果として理解されるべきなのだろうか？」[ 163 ]エレイン・スキャリーは、あらゆる人工物が身体を再創造し、拡張すると主張する。椅子は骨格を補完し、道具は手を付加し、衣服は皮膚を拡張する。[ 164 ]スカーリーの考えでは、「家具や家は、人間の体にとって、吸収する食物以上にも以下にも内部にあるわけではなく、人工肺、人工目、人工腎臓などの高度な補綴物と根本的に異なるものではありません。製造された物の消費は、体を内側から外側へとひっくり返し、物を文化として開きます。」 [ 165 ]建築学教授のマーク・ウィグリーは、建築がどのように私たちの自然な能力を補完するかについてのこの考え方を引き継ぎ、「すべての補綴物はアイデンティティの曖昧さを生み出す」と主張しています。[ 166 ]この研究の一部は、人間と物体の関係を拡張の関係として特徴づけたフロイトの以前の考えに依存しています。

社会的にマイナスの影響

義肢は、人が自分自身をどう認識し、他の人が自分をどう認識するかにおいて重要な役割を果たします。義肢の使用を隠すことができるため、参加者は社会的スティグマを回避することができ、ひいては社会への統合と、障害にまつわる感情的な問題の軽減が可能になりました。[ 167 ]四肢を失った人は、まずその四肢を失ったことによる感情的な結果に対処しなければなりません。切断の理由が外傷によるものか病気の結果かに関わらず、感情的なショックは存在します。患者の年齢、医療文化、医学的原因など、さまざまな要因に応じて、その振幅は大きくも小さくもなります。切断の結果、研究参加者の報告にはドラマが詰まっていました。切断に対する最初の感情的な反応は絶望であり、耐え難いほどの深刻な自己崩壊感でした。[ 168 ]感情的な要因は、社会的影響を見る上でのほんの一部に過ぎません。四肢を失った人の多くは、義肢やその四肢にまつわる大きな不安を抱いているかもしれません。国立医学図書館のインタビューを受けた患者たちは、手術後長期間にわたり、不安の出現と増大に気づいた。多くの否定的な考えが彼らの心に侵入した。将来についての予測は暗く、悲しみ、無力感、そして絶望さえも伴うものだった。実存的な不確実性、コントロールの欠如、そして切断による人生におけるさらなる喪失への予期が、不安、ひいては反芻や不眠の主な原因であった。[ 168 ]片足を失い義足になったことで、怒りや後悔など、多くの要因が生じる可能性もあった。四肢の切断は、肉体的な喪失や身体イメージの変化だけでなく、連続性の感覚の突然の断絶にも関連している。身体的外傷の結果として切断を受けた参加者にとって、この出来事はしばしば違反行為として経験され、フラストレーションや怒りにつながる可能性がある。[ 168 ]

倫理的な懸念

義肢の製造方法についても、多くの倫理的な懸念事項があります。感覚補助器具の実験や臨床使用に関しては、動物実験、感覚補助器具によって緩和される可能性のある閉じ込め症候群の患者に対するインフォームド・コンセント、新しい機器を試験する被験者への非現実的な期待など、幅広い倫理的問題が生じます。[ 169 ]義肢がどのように作られるか、そしてその機器の有用性を試験することは、医療界における大きな懸念事項です。新しい義肢のデザインが発表されると多くの肯定的な意見が寄せられますが、その機器がどのようにして現在の形に至ったのかという点が、義肢の倫理性に疑問を投げかけることもあります。

討論

義肢装具士のコミュニティでは、そもそも義肢を着用すべきかどうかについても多くの議論があります。これは、義肢が日常生活を助けるのか、それとも困難にするのかから生じます。多くの人は、手足を失ったことに適応して生活しており、義肢は生活に必要ありません。しかし、すべての切断者が義肢を着用するわけではありません。2011年にオーストラリアの切断者を対象に行われた全国調査で、Limbs 4 Life は、切断者の7%が義肢を着用していないことを明らかにしました。また、オーストラリアの別の病院で行われた研究では、この数字は20%近くに上りました。[ 170 ]多くの人は義肢が不快で着用したくないと報告しており、義肢を着用する方が全く着用しないよりも面倒だとさえ報告しています。このような議論は義肢装具士のコミュニティでは自然なことであり、彼らが直面している問題を明らかにするのに役立ちます。

義肢の著名な使用者

神話的

神話上の王ヌアザは戦いで片腕を失いましたが、その代わりに銀の腕を与えられました。

リグ・ヴェーダでは、ヴィシュパラーは戦いで片足を失ったが、「鉄の足」を与えられたと 記されている。

参照

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出典

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