Bewegen met Technologie: Wat is de rol van exoskeletten bij een dwarslaesie?

• Wiskunde
• Natuur, Leven en Technologie
• +1
• Middelbare school
• havo, vwo
• Leerjaar 4,5

Introduction

In deze les wordt anatomische kennis en pathologie van een dwarslaesie gekoppeld aan een vooruitstrevende technologische oplossing, het exoskelet. De leerlingen krijgen een algemeen beeld van de functies die overgenomen worden door het exoskelet en welke impact dit heeft op de gebruiker. Daarnaast leren ze welke verschillende soorten exoskeletten bestaan en welke soort toepasbaar is in verschillende situaties. Tot slot gaan de leerlingen aan de slag met de bewegingsgraden van een exoskelet, die nodig zijn om verschillende bewegingen van de mens te kunnen vervangen.

Instructions

Voorkennis van leerlingen

• De leerlingen weten dat het lichaam wordt aangestuurd vanuit het centrale zenuwstelsel.
• De leerlingen hebben globale kennis van het menselijk lichaam qua bot-, spier- en zenuwstructuren. 

Voorbereiding docent

• Lezen van docentinstructies
• Printen van het werkblad

Leerdoelen/vaardigheden

Na deze les:

• kun je uitleggen wat een dwarslaesie is en wat een dwarslaesie veroorzaakt.
• kun je uitleggen wat de invloed is van de verschillende hoogtes van een dwarslaesie.
• kun je verschillende effecten op iemand met een dwarslaesie benoemen.
• kun je vertellen wat een exoskelet is, hoe het werkt, wat het verschil tussen een actief en passief exoskelet is en in welke branches het gebruikt kan worden.
• kun je vertellen welke onderdelen van het exoskelet welke onderdelen van het menselijk lichaam overnemen.
• kun je aangeven in welke richtingen en tot welke hoeken de gewrichten in het (onder)lichaam bewegen.

Aansluiting curriculum

Deze les sluit aan bij de volgende  onderwerpen:

• Gezondheidszorg: biomechanica.

Worksheets

Werkblad - Exoskelet.pdf

Ondertitel

Bewegen met Technologie: Wat is de rol van exoskeletten bij een dwarslaesie?

Een les over hoeken en gewrichten

Les 1. Wat is creativiteit?

Informatie voor de docent

Zet het vinkje 'toon bij leerling' aan

Toon notities bij elke dia

Navigeren door de les

Vooraf

Deze LessonUp duurt ongeveer 50 minuten
Deze les is het leukst in groepjes van 2

Benodigdheden

Laptop voor elke leerling

Uitgeprinte werkbladen

Geodriehoek, pen en papier

Iconen

Hotspot met meer informatie

Les 1. Wat is creativiteit?

Leerdoelen

Na deze les...

• kun je uitleggen wat een dwarslaesie is en wat een dwarslaesie veroorzaakt.
• kun je uitleggen wat de invloed is van de verschillende hoogtes van een dwarslaesie.
• kun je verschillende effecten op iemand met een dwarslaesie benoemen.

• kun je vertellen wat een exoskelet is, hoe het werkt, wat het verschil tussen een actief en passief exoskelet is en in welke branches het gebruikt kan worden.
• kun je vertellen welke onderdelen van het exoskelet welke onderdelen van het menselijk lichaam overnemen.
• kun je aangeven in welke richtingen en tot welke hoeken de gewrichten in het (onder)lichaam bewegen.

Wat weet je al over een 'dwarslaesie'?

0

Deze video legt uit hoe het wervelkolom in elkaar zit.

Les 1. Wat is creativiteit?

Bij een dwarslaesie worden de zenuwbanen in het ruggenmerg afgekneld. De hoogte van de schade bepaald welk gedeelte van het lichaam verlamd zal raken.

Wat gebeurt er bij een dwarslaesie?

De wervelkolom bestaat uit 3 niveaus:

• Cervicaal
• Thoracaal
• Lumbaal

Elk onderdeel van de wervelkolom stuurt verschillende delen van het lichaam aan.

• Cervicaal stuurt globaal het hoofd en de armen aan.
• Thoracaal is grotendeels verantwoordelijk voor de romp en rug.
• Lumbaal is verantwoordelijk voor de lage rug, heupregio en benen.

In welk gebied er schade optreedt, bepaald de ernst van de dwarslaesie. Wanneer de schade zich voordoet in het lumbale gedeelte, zal een persoon zijn benen niet meer kunnen bewegen, maar werkt alles boven de heupen nog wel. Wanneer de schade in het cervicale gedeelte optreedt, dan is de persoon waarschijnlijk compleet verlamd. 

Opdracht: Welke van de onderstaande redenen kan een oorzaak zijn van een dwarslaesie?

Oorzaken dwarslaesie

Ski-ongeluk

Overdosis lachgas

Tuberculose

Multiple Sclerose (MS)

Kwaadaardige tumoren

Ouderdom

Depressie

Parkinson

1. Een ski-ongeluk is vaak een hoog energetisch trauma waarbij het ruggenmerg doorklieft wordt. 
2. Een overdosis lachgas tast de geleidingsmogelijkheid van het ruggenmerg aan waardoor de actiepotentialen niet meer (voldoende) kunnen passeren waardoor je een dwarslaesie beeld krijgt.
3. Tuberculose in de wervelkolom zorgt voor slijtage van de wervellichamen waardoor er verzakkingen kunnen ontstaan waardoor het ruggenmerg wordt afgekneld. (pott's disease)
   
4. Multiple Sclerose (MS) is een auto-immuun ziekte waarbij het lichaam de myeline om zenuwvezels afbreekt. Hierdoor kunnen littekens en ontstekingen ontstaan op het ruggenmerg waardoor er een afknelling ontstaat.
5. Kwaadaardige tumoren ontstaan voornamelijk vanwege kanker. Deze tumoren kunnen drukken op het ruggenmerg waardoor de prikkelgeleiding wordt verstoord.

Ouderdom, depressie en de ziekte van Parkinson hebben geen direct verband met het volledig afknellen/interrumperen van het ruggenmerg.

Les 1. Wat is creativiteit?

Hulpvraag

Petra droomt om weer te lopen

Petra, 37 jaar oud, liep zes maanden geleden een dwarslaesie op door een ernstig ski-ongeluk. Het ongeval leidde tot beschadiging van haar ruggenmerg in het lumbale deel, waardoor haar benen volledig verlamd raakte.

Onlangs hoorde Petra dat technische studenten aan de lokale universiteit werken aan de ontwikkeling van een innovatief hulpmiddel dat mensen met verlammingen kan helpen weer te lopen, een exoskelet. 

Les 1. Wat is creativiteit?

Hulpvraag

Tijdens deze opdracht ga je aan de slag met een exoskelet voor Petra. Je bent onderdeel van het Biomechanica team en mag een besluit maken over welk soort exoskelet voor haar geschikt is en gaat deze vervolgens optimaliseren voor de bewegingen die Petra moet kunnen maken. 

Les 1. Wat is creativiteit?

Actief exoskelet

Wat is het?
Een actief exoskelet is een robotisch pak dat aan de buitenkant van het lichaam wordt bevestigd en de spier-, zenuw- en botfunctie van het lichaam overneemt.

Welke technologie gebruikt het?

Het exoskelet gebruikt sensoren en motoren om de bewegingen van de drager te versterken of over te nemen. 

Wanneer gebruik je het?

Mobiliseren & revalideren van mensen met spierzwakte of verlamming.

Vraag:

Voor welke onderdelen van het menselijk lichaam heeft mobiliseren een positief effect?

1. Spijsvertering
2. Hart en vaatstelsel
3. Zenuwstelsel
4. Spieren en botten

Mobiliseren heeft een positief effect op alle systemen in het menselijk lichaam.

Mobiliseren is ook niet alleen gericht op verbetering van de lichamelijke kwaliteit. Het gaat hand in hand met de mentale gezondheid van een persoon.

Les 1. Wat is creativiteit?

Wat is het?

Een passief exoskelet is een ondersteunend pak wat helpt gewicht te verdelen waardoor er minder fysieke belasting van spieren nodig is.

Welke technologie gebruikt het?

Een passief exoskelet maakt gebruik van veren, hydraulische systemen of andere mechanische componenten zonder electronica.

Wanneer gebruik je het?

Werkomgevingen waar mensen langdurig zware lasten moeten dragen of in lastige houdingen moeten werken.

Passief exoskelet

Vraag:

Bij welk van de onderstaande beroepen zou een passief exoskelet kunnen helpen?

1. Vrachtwagenchauffeur
2. Bouwvakker
3. Fabrieksmedewerker
4. Fysiotherapeut

Ondanks dat je zou verwachten dat een passief exoskelet van meerwaarde kan zijn bij bijvoorbeeld een vrachtwagenchauffer om de houding te ondersteunen. Is dit in de omgeving waarin ze moeten werken eerder ruimte belemmerend waardoor het minder praktisch is om in te zetten in dit scenario.

Voor de fysiotherapeut zorgt het exoskelet voor een beperking van de bewegingsvrijheid waardoor sommige handelingen beperkt worden.

Voor een bouwvakker is het daarentegen wel heel waardevol, door het ondersteunen van de gewrichten in de schouders en knieën bij het tillen van zwaar materiaal tijdens het werk.

Een fabrieksmedewerker staat vaak lang rechtop in weinig variërende houding. Hierbij kan het exoskelet ondersteuning bieden zodat er minder snel vermoeidheid op treedt in de rug en armen.

Welk exoskelet heeft Petra nodig?

Petra heeft schade aan haar ruggenmerg in het lumbale deel. Dit betekent dat haar benen volledig verlamd zijn. Een passief exoskelet biedt ondersteuning, maar hierbij moet je zelf nog wel kunnen bewegen. Daarom is een actief exoskelet voor Petra het meest geschikt. 

Les 1. Wat is creativiteit?

Hoeveel moet een exoskelet kunnen bewegen?

Petra zou met behulp van het exoskelet graag de volgende bewegingen weer willen maken: staan en zitten, lopen en traplopen. 

Daarbij zijn het heup-, knie- en enkelgewricht belangrijk.

Vraag:

Welk gewricht kan in de meeste richtingen bewegen?

1. Enkel
2. Knie
3. Heup
4. Elleboog

De heup heeft de grootste bewegingsvrijheid van alle genoemde gewrichten. De heup is een kogelgewricht wat het gewricht in staat stelt om in alle bewegingsrichtingen te bewegen.

Het enkelgewricht is in staat om in 2 bewegingsrichtingen te bewegen.

De knie en elleboog zijn alleen in staat om te buigen en strekken. 

Les 1. Wat is creativiteit?

Het heupgewricht

Wat kan het heupgewricht?

Het heupgewricht is een kogelgewricht en kan bewegen in elke richting.

Bij een gemiddeld persoon kan de heup 130° (linksom) buigen en ongeveer 30° (rechtsom) strekken.

Daarnaast kan de heup gemiddeld ook 40° naar buiten en 30° naar binnen bewegen.

Als laatste kan het heupgewricht ook naar binnen en naar buiten draaien.

30°

Wij gebruiken voor nu de termen linksom en rechtsom omdat alle afbeeldingen vanuit zijaanzicht zijn. 

De officiële terminologie voor het buigen van de heup is (ante)flexie en het strekken is extensie.

Het bewegen naar buiten van het been is abductie en naar binnen is adductie.

De rotaties worden niet uitgelegd in deze les omdat het niet relevant is voor het exoskelet.

Les 1. Wat is creativiteit?

Het kniegewricht

Toelichting:

Het kniegewricht is een scharniergewricht en kent daarom ook maar 2 bewegingen; buigen en strekken.

Bij een gemiddeld persoon kan de knie ongeveer 140° buigen. Wanneer de knie volledig gestrekt is dan hebben we het over 0°.  

Wist je dat?

Sommige mensen hun knie verder kunnen strekken dan 0°? Wanneer iemand meer beweging heeft dan gemiddeld dan hebben we het over "hypermobiliteit".

Het kniegewricht beweegt in 1 dimensie. Het strekken van de knie noemen wij extensie, en het buigen van de knie noemen wij flexie.

Als de vraag komt: 

"Waarom kan de knie dan wel een klein beetje draaien?"

Antwoord: De knie wordt stabiel gehouden door ligamenten maar die hebben een bepaalde mate van rekbaarheid waardoor minimale beweging mogelijk is.

Les 1. Wat is creativiteit?

Het enkelgewricht

Toelichting:

Het enkelgewricht bestaat eigenlijk uit 2 losse gewrichten. Het bovenste gewricht zorgt voor het strekken en heffen van de tenen. Het onderste gewricht zorgt voor het naar binnen en naar buiten bewegen van de voet.

Een gemiddeld persoon kan de voet ongeveer 20° heffen en 50° strekken.

Daarnaast kan de voet ongeveer 15° naar buiten draaien en 35° naar binnen.

20°

50°

15°

35°

Het enkelgewricht bestaat uit 2 losse gewrichten namelijk:

1. Bovenste spronggewricht
2. Onderste spronggewricht

Bovenste spronggewricht

Het bovenste spronggewricht faciliteert het heffen van de voet, ook wel dorsaalflexie genoemd en het het strekken van de voet ook wel plantairflexie genoemd.

Onderste spronggewricht

Het onderste spronggewricht faciliteert het naar binnen- (supinatie) en buitendraaien (pronatie).

Les 1. Wat is creativiteit?

Hoeveel moet een exoskelet kunnen bewegen?

Opdracht. Hoeveel bewegingsgraden heeft Petra's exoskelet nodig in het heup-, knie- en enkelgewricht om Petra de onderstaande bewegingen te kunnen laten maken? 

Vul je antwoorden in op het werkblad.

Hint

Heb je de maximale hoeveelheid bewegingsvrijheid van het gewricht nodig om de bewegingen te maken die Petra graag zou willen?

Zie ook het werkblad.

Leerlingen vullen zowel de hoek in linksom en rechtsom.

De leerlingen kunnen tijdens deze opdracht de bewegingen zelf uitproberen. Door de bewegingen na te doen, kunnen de bewegingsgraden gemeten worden met behulp van een geodriehoek.

Les 1. Wat is creativiteit?

Uitlegslide staan & zitten

Wat heb je minimaal nodig?

Voor staan en zitten heb je minimaal 95° nodig in de heup, 95° in de knie en 20° in de enkel.

Het kan zijn dat wanneer iemand een stoel heeft met een diepe zit er iets meer graden nodig zijn om te voorkomen dat iemand het laatste stuk achteruit valt. 

Om deze reden wil je in elk gewricht 5° meer kunnen bewegen dan dat je minimaal voor de beweging nodig hebt.

Les 1. Wat is creativiteit?

Uitlegslide lopen

Wat heb je minimaal nodig?

Voor het lopen moet je heup minimaal 30° naar voren kunnen bewegen en minimaal 10° naar achteren. 

De knie moet volledig kunnen strekken dus 0° en ongeveer 60° kunnen buigen. 

De enkel moet 10° naar je toe kunnen bewegen en 20° van je af zodat je de voet mooi kan afwikkelen en een natuurlijk looppatroon hebt. 

Les 1. Wat is creativiteit?

Uitlegslide traplopen

Wat heb je minimaal nodig?

Voor het traplopen moet de heup minimaal 65° naar voren kunnen bewegen en 10° naar achteren.

De knie moet volledig kunnen strekken dus 0° maar moet ook flink kunnen buigen namelijk 90°. 

De enkel moet minimaal 20° naar je toe kunnen bewegen en 15° van je af.

De hoogte van traptreden kan verschillen per trap waardoor je soms meer bewegingsmogelijkheid nodig hebt in de heup.

Les 1. Wat is creativiteit?

Waar moet welk scharnier?

Opdracht: Nu de bewegingsgraden bekend zijn voor het exoskelet van Petra, kan het technische team bepalen welk scharnier er nodig is op welke plek van het exoskelet. Kan jij het technische team helpen door aan te geven welk scharnier waar moet komen? Vul je antwoorden in op het werkblad.

Scharniergewricht

Kogelgewricht

De benodigde informatie voor deze opdracht wordt in slides 17, 18 en 19 uitgelegd.

Les 1. Wat is creativiteit?

Welk gevolg heeft dit?

Opdracht: Door één scharniergewricht te gebruiken voor de enkel, kan de voet op en neer bewegen, maar is een andere beweging met de voet niet meer mogelijk. Welke beweging zou dit zijn en in welke situatie zou die beweging wel handig zijn om te kunnen maken? Schrijf jouw antwoord op het werkblad.

Op slide 19 is uitgelegd hoe het enkelgewricht werkt. Voor het exoskelet wordt een scharniergewricht gebruikt die ervoor zorgt dat de enkel naar boven en naar beneden kan bewegen, maar niet naar links en recht kan kantelen. Deze beweging is niet nodig tijdens het lopen, maar kan bijvoorbeeld wel handig zijn wanneer je je zijwaarts wilt verplaatsen. Bijvoorbeeld wanneer je zijwaarts een helling op loopt.

Les 1. Wat is creativiteit?

Lopen met een exoskelet

In deze video is te zien hoe een actief exoskelet werkt en hoe iemand met een dwarslaesie daar gebruik van maakt. 

Les 1. Wat is creativiteit?

Terugblik

In deze les heb je geleerd wat een dwarslaesie in houdt en heb je voor Petra een exoskelet geoptimaliseerd.  

Nu kun je:

• uitleggen wat een dwarslaesie is en wat een dwarslaesie veroorzaakt.
• uitleggen wat de invloed is van de verschillende hoogtes van een dwarslaesie.
• verschillende effecten op iemand met een dwarslaesie benoemen.
• vertellen wat een exoskelet is, hoe het werkt, wat het verschil tussen een actief en passief exoskelet is en in welke branches het gebruikt kan worden.
• vertellen welke onderdelen van het exoskelet welke onderdelen van het menselijk lichaam overnemen.
• aangeven in welke richtingen en tot welke hoeken de gewrichten in het (onder)lichaam bewegen.

Les 1. Wat is creativiteit?

Geïnspireerd?

Als je dit een interessant onderwerp vond, dan is een vervolgopleiding in deze richting misschien iets voor jou.

Neem eens een kijkje bij de studie Werktuigbouwkunde (HBO en WO).

Wil je meer weten over de ontwikkeling van een exoskelet? Hou dan Project March in de gaten! 

Les 1. Wat is creativiteit?

De makers van deze les willen graag weten wat je van de les vond.

Ga daarvoor naar de (korte) vragenlijst:

https://bit.ly/LessonUpmod_Leerling

Heel veel dank!

Feedback gevraagd

Klik op de link of scan de QR-code

Les 1. Wat is creativiteit?

Auteurs

Team TU Delft

Powered by

4TU

Meer informatie of opmerkingen

https://www.4tu.nl/vo/

Colofon

Les 1. Wat is creativiteit?

Juf Danielle | Ruggenmerg (2018, 30 oktober). https://www.youtube.com/watch?v=wlTDG9iP8Qk&t=228s

Project March | Koen's walk through Delft with the MARCH VI (2021, 22 augustus). https://www.youtube.com/watch?v=vHRJsJCGXdA

Bronnen