Transcript Sprinten met een onderbeenprothese

SPORTWETENSCHAP
Topsprinters in de atletiek halen snelheden van meer dan
12 m/s.Tot voor kort was dit niet weggelegd voor hard­
lopers met een onderbeenprothese. De afgelopen jaren is de
‘Running Specific Prosthesis’(RSP) echter verder ontwikkeld.
­Bladerunner Oscar Pistorius verbaasde vriend en vijand
door bijna net zo snel te rennen als ’s werelds beste sprinters. Komt dit door zijn eigen lichamelijke vermogen, of is het
(vooral) te danken aan dit hulpmiddel?
Sprinten met een onderbeenprothese
Wat is er nodig om menselijke benen te verslaan?
Ben Sijtsma & Floor Hettinga
In de afgelopen decennia is er veel ver-
prothese. Bij het afzetten en uitveren
anderd voor hardlopers die afhankelijk
wordt een groot deel van deze energie
zijn van protheses. In de jaren ’50 van
weer ‘teruggegeven’ aan de loper. Dit
de vorige eeuw werd een eenvoudige
komt ten goede aan de snelheid die
loopprothese ontwikkeld, waarmee
bij het rennen gehaald kan worden.
men hoogstens kon snelwandelen.
Omdat bij het sprinten vooral de
Pas in de jaren ’80 verscheen de eerste
voorvoet wordt gebruikt, verdween op
prothese voor hardlopen, de RSP:
een bepaald moment de hak en kreeg
Running Specific Prosthesis. Deze was
de RSP de huidige C-curve vorm1 (zie
gemaakt van carbon, een licht en flexi-
figuur 1).
bel materiaal. Door de veercapaciteit
Het grootste voordeel van de RSP is
van het carbon wordt bij het landen
dus de energie die door de prothese
en inveren energie opgeslagen in de
wordt teruggegeven. Uit literatuur
Figuur 1. A: Moderne carbonvezel prothese met
een C-curve vorm en een typisch ‘blade’ onderaan de voet. B: Traditionele prothese voor dagelijks gebruik, inclusief hak. Uit: Hafner et al.4
42
S p o r t g e r i c h t n r. 1 / 2 0 1 1 – j a a r g a n g 6 5
blijkt dat slechts 5-9% van de energie
internationale atletiekfederatie IAAF
Sprintcyclus
bij het neerkomen verloren gaat in de
toonde aan, dat Pistorius minder ener-
Om het sprinten met prothese beter
vorm van warmte. Vergeleken met de
gie verbruikte dan valide sprinters.
te kunnen begrijpen zullen we eerst
menselijke enkel, die een energieverlies van 41-60% kent2,3, is dit zeer wei-
Zoals net beschreven zijn de sprint-
ingaan op de hardloopbeweging voor
protheses mechanisch al efficiënter,
valide sporters. Tijdens hardlopen
nig. Hoe wijder en stijver de C-curve
maar tegelijkertijd zijn de metabole
doorloopt een persoon een cyclus
van de RSP gemaakt wordt, des te
kosten voor bladerunners ook nog
waarin het been in standfase of in
efficiënter de werking.4
eens lager omdat de protheses passief
zweeffase kan zijn (figuur 2). Wanneer
energie kunnen teruggeven, terwijl de
de snelheid toeneemt verplaatst een
Debat
valide sporters dit actief moeten doen
sprinter het contact van de hak naar
Vandaag de dag biedt de RSP hard­
door de spieren rond hun enkel aan
de voorvoet: bij topsporters raak de
lopers met een onderbeenamputatie de
te spannen. Nog een voordeel is, dat
hak vrijwel nooit de grond. Daarnaast
mogelijkheid te sprinten op topniveau.
de protheses lichter zijn dan gewone
wordt de standfase bij toenemende
Figuur 2. Loopcyclus tijdens hardlopen. Het witte been doorloopt één cyclus. De cyclus begint en eindigt met het grondcontact van de voorvoet. In de
zweeffase zijn beide benen van de grond. Deze fase is procentueel langer bij sprinten dan bij hardlopen op lagere snelheid. Uit:Adelaar (1986).7
Het wereldrecord voor de 100m staat
benen, wat een positief effect heeft op
snelheid korter. Dit geeft minder
op 10.97s respectievelijk 10.91s voor de
prestatie. Ook is het zo, dat protheses
wrijving met de grond en dus minder
uni- en bilaterale geamputeerden. Dit
hetzelfde effect hebben als het verlen-
weerstand, wat leidt tot een hogere
is slechts iets meer dan een seconde
gen van je benen: een grotere paslengte
snelheid. Aan de andere kant beperkt
boven het reguliere wereldrecord van
zorgt voor een hogere snelheid, ervan
de verkorte contacttijd de mogelijk-
Usain Bolt (9.58s). Het verschil voor de
uitgaande dat de pasfrequentie niet
heid om het afzettende been kracht te
400m is procentueel zelfs nog kleiner.
mee verandert. Op basis van deze
laten leveren. Een topsporter moet de
Het wereldrecord staat op 46.25s voor
voordelen voor de prothese besloot
ideale balans tussen deze twee beper-
bilateraal geamputeerden tegenover
men, dat de prothese als hulpstuk
kende factoren zoeken om optimaal te
de tijd van 43.18s (Michael Johnson).
moet worden beschouwen en dat
kunnen presteren.6
Tussentijden tonen aan dat de snelheid
deelname aan de Olympische Spelen
De kracht die nodig is om in de zeer
halverwege de race zelfs nagenoeg ge-
dus niet mogelijk is voor sprinters met
korte contacttijd met de grond (22%
lijk is (gemiddeld 9.2-9.5 m/s).1
RSP’s.3
van de cyclus) af te zetten kan gele-
Omdat er weinig bekend is over
De meningen over deze uitspraak zijn
verd worden door de hoge concen-
de processen in het lichaam bij het
verdeeld, resultaten van verschillende
tratie snelle vezels in de spieren en
sprinten met een RSP, is er veel ge-
onderzoeken geven verschillende
uitkomsten.2,5 Aangezien de tijden
de hoge efficiëntie van de pezen aan
speculeerd over de voordelen die
de prothese zou opleveren. Dit heeft
van de beste sprinters met RSP’s nog
het landen van de voet energie op die
geleid tot veel media-aandacht, vooral
steeds langzamer zijn dan die van
anders verloren zou gaan. Bij elke pas
toen Oscar Pistorius in 2008 wilde
de beste valide sprinters, kan er niet
wordt een beetje van de opgeslagen
deelnemen aan de Olympische spe-
zonder meer geconcludeerd worden
energie toegevoegd aan de energie die
len in plaats van de Paralympische
dat sprinters met RSP’s sneller zijn en
de beenspieren leveren.8 Uit onder-
spelen. Onderzoek van Brüggemann
is het dus de vraag of de conclusie van
zoek van Farley & Gonzalez 9 blijkt dat
de IAAF terecht is.
stijvere spieren de prestatie verbeteren.
et
al.2,
uitgevoerd op verzoek van de
de spieren. Deze pezen slaan tijdens
S p o r t g e r i c h t n r. 1 / 2 0 1 1 – j a a r g a n g 6 5
43
Sprinters met een prothese hebben
neer de contacttijd van de voet met de
len tussen sprinten met en zonder een
deze pezen niet meer, en vangen dit
grond geminimaliseerd kan worden,
prothese in een aantal onderzoeken
passief op door de veerkracht van de
terwijl er toch voldoende verticale
geanalyseerd. Deze analyses laten
prothese.
grondreactiekracht geleverd wordt om
zien dat er tijdens het sprinten grote
het lichaam lang genoeg (i.e. mini-
verschillen zijn in de mechanica van
Verschil tussen sprinters en
topsprinters
maal 0.35s12) te laten zweven, zodat
het lichaam van Paralympische atleten
het been voldoende tijd heeft om de
Sprinters en topsprinters doorlopen
zwaaifase te kunnen voltooien.
vergeleken met valide atleten (zie
figuur 3).2,3,5 Allereerst is de start en
over het algemeen dezelfde sprintcy-
De snelheidsbeperking bij sprinten
versnellingsfase een groot nadeel voor
clus en hebben
de sprinter met
eenzelfde ge-
RSP’s. Valide
bruik van spie-
sprinters ko-
ren. De ver-
men langzaam
schillen tussen
overeind en
een sprinter en
gebruiken een
een topsprin-
voorover leu-
ter zijn dan
nende houding
ook zeer klein.
om de nodige
Uit onderzoek
horizontale
van Kunz &
grondreactie­
Kauffman10 is
kracht te
gebleken, dat
creëren, die
topsprinters
bij de start
grotere passen
belangrijker is
maken met een
hogere beenfrequentie. De contacttijd
van de voet met de grond is korter en
er vindt minder verlies van energie
Figuur 3. Verschillen tussen valide sprinters en
sprinters met een RSP. De pasfrequentie is hoger,
de contacttijd langer, en de verticale grondreactiekracht (GRF) lager bij de sprinter met een RSP
dan bij valide sprinters. Uit: Weyand PG et al.5.
door wrijving plaats. En omdat de
dan later in de
sprint. Bovendien gebruiken ze bij de
start veel spieren van het onderbeen,
die bij geamputeerde sprinters ontbreken. Daarom zal voor een sprinter
topsprinters een grotere kracht kunnen
ligt niet in de maximale kracht die
met RSP’s de acceleratiefase een limite-
leveren in de kortere contacttijd, is de
de benen kunnen produceren. Uit
rende factor zijn, omdat deze minder
al.12
is
snelheid hoger. Verschillende onder-
onderzoek van Weyand PG et
zoeken tonen aan dat de maximale
gebleken dat door de benen slechts een
voorover leunt en dus minder snelheid
kracht die een atleet bij het afzetten
deel van de maximaal mogelijke kracht
opbouwd.3 Ten tweede is gevonden
kan leveren belangrijker is dan de
gebruikt wordt tijdens het contact met
dat de pasfrequentie gemiddeld hoger
maximale frequentie waarmee de at-
de grond. Als de sprinter (puur theo-
ligt voor de sprinters met een RSP. Dit
leet zijn benen kan bewegen.11
retisch) in staat zou zijn de maximale
is mogelijk, omdat het gewicht van de
kracht te produceren tijdens de con-
prothese lager is en het been sneller de
Limiet aan sprintsnelheid
tacttijd, dan zou volgens berekeningen
zwaaifase kan afronden. Een hogere
Tot op heden is de maximale snel-
de snelheid toenemen tot een maxi-
frequentie leidt tot minder contacttijd
heid van een mens beperkt gebleven
mum van 19,3 m/s.
met de grond en dus tot een vermin-
tot 12.42 m/s (WK atletiek Berlijn,
Een tweede manier om de beperking
derde totale grondreactiekracht, zowel
2009). Zou het nog sneller kunnen? De
te doorbreken is het vergroten van de
de verticale grondreactiekracht als de
beperkende factoren die hierbij een rol
contactlengte, wellicht door gebruik
horizontale grondreactiekracht. Een
spelen zijn:
van een prothese. Een extra 10 cm
verminderde verticale grondreactie-
– de grondreactiekracht;
vergroot de snelheid van 9,1 naar 9,8
kracht is voordelig en reduceert het
– de contacttijd van de voet met de
m/s.12
verlies van energie en minimaliseert de
grond;
zwaaifase. Een verminderde horizon-
– de duur van de zwaaifase van het
been.
De atleet presteert optimaal wan-
44
spierkracht kan leveren en minder
Verschillen tussen valide sprinters en sprinters met een RSP
tale grondreactiekracht is nadelig en
De afgelopen jaren zijn de verschil-
bouw. Voor de sprinters met een RSP
S p o r t g e r i c h t n r. 1 / 2 0 1 1 – j a a r g a n g 6 5
leidt tot een verminderde snelheidsop-
is een verminderde grondreactiekracht
te maken of door meer spierkracht te
dus een voordeel tijdens het sprinten,
ontwikkelen rond de heup. De pas-
maar een nadeel bij het starten en op
lengte kan worden vergroot door de
snelheid
komen.2
Dit is ook een ver-
lengte van het totale been te vergroten.
klaring, waarom de tijden op de 400m
De grondreactiekracht kan toenemen
procentueel dichter bij elkaar liggen
door de contactoppervlakte van de
dan op kortere afstanden dan op de
prothese te vergroten, waarbij een ba-
100m.
lans gevonden wordt tussen de toene-
Nog een groot verschil is de hoeveel-
mende kracht en de toenemende wrij-
heid arbeid die geleverd moet worden
ving.12 De meeste van deze parameters
tijdens de sprint. Deze is bij valide
zijn op dit moment al bijna optimaal,
sprinters hoger dan bij sprinters met
dus het antwoord of het mogelijk is
een
RSP.2
Dit kan het resultaat zijn
12. Weyand PG, Sandell RF, Prime DN & Bun­
dle MW (2010). The biological limits to running
speed are imposed from the ground up. J Appl
Physiol, 108 (4): 950-961.
13. Winter DA & Bishop PJ (1992). Lower
extremity injury - biomechanical factors associ­
ated with chronic injury to the lower extremity.
Sports Med, 14 (3): 149–156.
het menselijk been eruit te sprinten
van het gebruik van meer spieren en
met een RSP blijft vooralsnog onbeant-
een hoger verlies aan energie bij het
woord … Op naar Londen 2012!
contact met de grond. Voor sprinters
met een RSP is het onmogelijk zoveel
arbeid te leveren door afwezigheid van
deze spieren.13
Onderzoekers die stellen dat de prothese voordeel biedt hebben gelijk als
het gaat om verminderd energieverbruik en een verbeterde efficiëntie.
Maar dit lijkt niet op te wegen tegen
de nadelen van een prothese, zoals
de verminderde startcapaciteit3 en de
problemen met het handhaven van de
balans.13 Uit de vergelijking van wereldtoptijden blijkt dat beide sprinters
elkaar nagenoeg evenaren in prestatie.
Het verschil maken
Zijn er aanpassingen aan de prothese
mogelijk waardoor het menselijke been
in de toekomst verslagen zou kunnen
worden? Om op de sprint bij de top te
horen moet de balans tussen een korte
standfase en de kracht die in deze tijd
geleverd kan worden optimaal moet
zijn. Deze variabelen moeten dus in
ogenschouw genomen worden bij
het ontwikkelen van een RSP. Met
aanpassingen aan de RSP is het misschien mogelijk een menselijk been te
verslaan door:
– het been sneller te kunnen laten
zwaaien;
– de paslengte te maximaliseren;
– de grondreactiekracht te vergroten.
Een snellere zwaaifase kan gerealiseerd worden door de prothese lichter
Referenties
1. Nolan L (2008). Carbon fibre prostheses and
running in amputees: A review. Foot Ankle Surg,
14 (3): 125-129.
2. Brüggemann G, Arampatzis A, Emrich F &
Potthast W (2008). Biomechanics of double
transtibial amputee sprinting using dedi­
cated sprinting prostheses. Sports Technology, 1
(4-5): 220-227.
3. Jones C & Wilson C (2009). Defining advan­
tage and athletic performance: The case of
Oscar Pistorius. Europ J of Sport Science, 9 (2):
125-131.
4. Hafner BJ, Sanders JE, Czerniecki JM & Fer­
gason J (2002). Transtibial energy-storage-andreturn prosthetic devices: a review of energy
concepts and a proposed nomenclature. J Rehabil Res Dev, 39 (1): 1–11.
5. Weyand PG, Bundle MW, Kram R, Grabowski
AM, McGowan CP, Brown MB, McDermott WJ,
Beale MT & Herr HM (2009) Point : Counter­
point: Artificial limbs do / do not make artifi­
cially fast running speeds possible. J Appl Physiol,
108: 1011-1012.
6. Novacheck T (1998). The biomechanics of
running. Gait & Posture, 7 (1): 77-95.
7. Adelaar R (1986). The practical biomechanics
of running. The American Journal of Sports Medicine, 14: 497-500.
8. Beneke R & Taylor MJ (2010). What gives Bolt
the edge - Hill knew it already! Biomechanics, 43
(11): 2241-2243.
9. Farley CT & Gonzalez O (1996). Leg stiff­
ness and stride frequency in human running. J
Biomech, 29 (2): 181–186.
10. Kunz H & Kauffman DA (1981). Biome­
chanical analysis of sprinting: Decathletes vs.
champions. Br. J. Sports Med, 15: 177-181.
11. Weyand PG, Sternlight DB, Bellizzi MJ &
Wright S (2000). Faster top running speeds
are achieved with greater ground forces, not
more rapid leg movements. J Appl Physiol., 81:
1991-1999.
Over de auteurs
Ben Sijtsma BSc is bezig aan zijn mas­
teropleiding Bewegingswetenschappen
aan de Rijksuniveriteit Groningen, met
de richting revalidatie als specialisatie.
Dit artikel is gebaseerd op het review
dat hij in het kader van deze studie
heeft geschreven onder begeleiding
van dr. Florentina Hettinga, universitair
docent Bewegingswetenschappen aan
de Rijksuniversiteit Groningen / Uni­
versitair Medisch Centrum Groningen.
S p o r t g e r i c h t n r. 1 / 2 0 1 1 – j a a r g a n g 6 5
45