生物力學(xué)用于假肢性能評價的研究進(jìn)展

賴卿,曹學(xué)軍

假肢接受腔是將假肢連接到殘肢的重要部件,其設(shè)計的合理性直接影響假肢使用的舒適性和方便程度。在臨床上,接受腔需要假肢矯形師針對使用者的具體情況進(jìn)行個體化設(shè)計。一個功能性、舒適性都滿足要求的假肢往往要在使用者反饋其使用效果和使用后進(jìn)行評測的基礎(chǔ)上,經(jīng)過一定修改(有時要修改多次)才能得到。

現(xiàn)有的大量研究表明,殘端和接受腔接觸面上的應(yīng)力分布是影響接受腔設(shè)計的關(guān)鍵因素[1]。自1954年以來,研究者們陸續(xù)建立了多種測量殘端/接受腔接觸面應(yīng)力分布的實(shí)驗(yàn)方法,為了解殘端和接受腔接觸面上的應(yīng)力分布起到了重要的作用。但這些實(shí)驗(yàn)方法必須針對已成型的接受腔模型;同時,測到的結(jié)果往往只是個別部位的應(yīng)力分布,而無法得到整體的信息,因此無法用實(shí)驗(yàn)方法對個體化接受腔設(shè)計的效果進(jìn)行直接預(yù)測。從上世紀(jì)80年代開始,計算機(jī)輔助設(shè)計制造(computeraided design/computer-aided manufacturing,CAD/CAM)技術(shù)開始應(yīng)用于接受腔的設(shè)計中,優(yōu)化設(shè)計的接受腔并非簡單地以殘肢為模板,而必須根據(jù)功能性和舒適性的要求進(jìn)行形狀修正(socket rectification)。數(shù)字仿真可以較好地克服實(shí)驗(yàn)方法的局限,有限元法是目前普遍應(yīng)用的分析方法[2]。但由于有限元建模是一個相對繁雜的過程,目前的研究停留在基礎(chǔ)性的機(jī)理研究階段,還難以直接應(yīng)用于面向患者的假肢接受腔的CAD/CAM 中[3-4]。

1 接受腔/殘肢界面應(yīng)力測試

接受腔/殘肢界面應(yīng)力測量數(shù)據(jù)的首次報道是在20世紀(jì)50年代,其測量方法是用裝滿空氣的傳感器采樣相對較大的面積(25 cm2)。雖然在人體/支撐面之間應(yīng)力測量使用的傳感器有很多種,關(guān)于接受腔應(yīng)力分布的報道卻很少,尤其對大腿殘肢的應(yīng)力分布更缺乏可參考的數(shù)據(jù)。在現(xiàn)有的資料中,Appoldt和Bennett使用微小的壓力傳感器結(jié)合附有4個半導(dǎo)體應(yīng)變片的壓力敏感薄膜來測量大腿接受腔/殘肢界面的應(yīng)力分布。Lee等應(yīng)用了一種嵌入接受腔壁的傳感器,這種傳感器和接受腔內(nèi)表面緊密結(jié)合,不會增加附加厚度,從資料顯示來看,其測量精度相對較高,是一種新型的測量方法[5]。

2 接受腔CAD/CAM

假肢接受腔的CAD/CAM早在20世紀(jì)60年代的早期就已經(jīng)提出了。然而,世界上第1個這樣的系統(tǒng)一直到1983年才在英國倫敦大學(xué)學(xué)院(University College London,UCL)、加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)(University of British Columbia,UBC)等大學(xué)的合作下面世[6]。研究殘肢參數(shù)模型以及接受腔和殘肢界面壓力分布規(guī)律,建立假肢適配性評價準(zhǔn)則,使接受腔CAD/CAM能夠完全不依賴于假肢技師經(jīng)驗(yàn)自動修型,是假肢接受腔研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)[7]。

CAD/CAM系統(tǒng)應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)首先在于提高了假肢矯形師們的效率,因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)的工藝中,修形必須在陽模完成之后;而在CAD/CAM系統(tǒng)中,一旦掃描得到殘肢形狀,即可進(jìn)行修形。CAD/CAM系統(tǒng)的另一個優(yōu)點(diǎn)在于顯著降低了成本,因?yàn)樗∪チ嗽S多中間取模的過程。但值得注意的是,許多假肢師仍然傾向于使用傳統(tǒng)的設(shè)計方法[8]。因此,最理想的狀態(tài)就是在現(xiàn)有的CAD/CAM中增加一個判斷系統(tǒng),能在接受腔成型之前就預(yù)測它的合理性,并能對接受腔的修整提供指導(dǎo)性意見或更進(jìn)一步的定量化參數(shù)[9]。這首先需要建立起評價接受腔合理性的方法。

盡管當(dāng)前的CAD/CAM系統(tǒng)可以較為準(zhǔn)確地得到殘肢的外輪廓形狀,但優(yōu)化設(shè)計的接受腔絕不完全以殘肢為模板,而是能以得到理想的表面應(yīng)力分布模式為目標(biāo)[10]。因此,首先必須了解在各種因素作用下,殘肢表面的應(yīng)力分布(包括壓力和剪應(yīng)力),軟組織內(nèi)部應(yīng)力分布以及滑移、摩擦以及骨與接受腔之間的相對位移等,其中殘肢表面的壓力分布往往是假肢師們所最關(guān)心的。研究方法包括兩大類:實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)字仿真。

3 有限元分析

有限元法是固體力學(xué)中的一種重要方法,其原理是把連續(xù)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散型的結(jié)構(gòu),即先將物體假想地分成(離散化)諸多子單元,各個單元是由結(jié)點(diǎn)聯(lián)系在一起的;再對每個單元用結(jié)點(diǎn)未知量來近似表示單元內(nèi)部的各種位置量,從而將每個單元對整體的影響和貢獻(xiàn)轉(zhuǎn)化到各自單元的結(jié)點(diǎn)上;隨后將這些單元總裝成一個整體,并使它們滿足整個物體的邊界條件和連續(xù)條件,從而得到一組有關(guān)節(jié)點(diǎn)未知量的方程組;通過求解方程組,就可以求得物體內(nèi)部各點(diǎn)所要求的各種物理量;單元內(nèi)部物理量通過單元各節(jié)點(diǎn)內(nèi)插來得到。

隨著計算機(jī)技術(shù)和有限元理論的不斷發(fā)展,人們開始大量使用數(shù)值模型和有限元法分析復(fù)雜的結(jié)構(gòu),三維有限元分析方法也逐漸成為生物力學(xué)分析的重要手段。有限元法的關(guān)鍵是模型的建立,模型的幾何相似性、力學(xué)相似性、網(wǎng)格的劃分直接影響計算的結(jié)果[8]。有限元法具有以下優(yōu)點(diǎn):①研究范圍廣,對于各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)(外形、載荷條件或邊界條件)均可以進(jìn)行力學(xué)分析;②可以給出數(shù)值解,結(jié)構(gòu)模型內(nèi)任意一點(diǎn)的應(yīng)力/應(yīng)變情況都可以用列表或梯度線圖直觀地顯示出來;③具有靈活的分析能力,根據(jù)研究對象的特點(diǎn),可以靈活、方便地改變載荷或邊界條件,增強(qiáng)了分析的適用范圍。盡管有限元法具有上述優(yōu)點(diǎn),但其結(jié)果仍為一近似解,因此有限元法也和其他方法一樣,其結(jié)果需要與臨床實(shí)踐或?qū)嶒?yàn)分析相結(jié)合加以綜合考慮,互相印證。

有限元分析作為一種輔助方法被應(yīng)用到下肢植入式骨整合假肢研究中,其主要應(yīng)用包括下面兩點(diǎn):①分析種植體上的應(yīng)力分布,優(yōu)化種植體的形狀;②分析下肢種植體植入時骨上的初始應(yīng)力分布,并將應(yīng)力分布情況和組織學(xué)觀察的結(jié)果進(jìn)行對照分析,研究初始應(yīng)力對下肢植入式骨整合假肢的影響[11]。

4 假肢三維剛體動力學(xué)模型

通過建立三維剛體動力學(xué)模型,將接受腔與殘肢簡化為剛性連接,無相對滑動和轉(zhuǎn)動,建立三維動力學(xué)方程對接受腔受力進(jìn)行計算分析[12-14]。目前已有實(shí)驗(yàn)室成功應(yīng)用并計算分析出下肢截肢患者穿戴假肢對其殘端生物力學(xué)的影響。運(yùn)用數(shù)學(xué)建模的方法對假肢及假肢部件生理力線分析,使患者下肢生物力學(xué)性能總體達(dá)最優(yōu),獲得穩(wěn)定良好的步態(tài),成為臨床假肢裝配和適用性能是否優(yōu)越漸趨成熟的理論依據(jù)。

5 假肢步態(tài)分析、足底受力系統(tǒng)

隨著計算機(jī)的廣泛應(yīng)用及其軟件系統(tǒng)的開發(fā),各種先進(jìn)的假肢步態(tài)分析、足底受力系統(tǒng)、殘肢/接受腔界面壓力系統(tǒng)應(yīng)用于臨床分析評價假肢功能[15]。瑞典QTM步態(tài)分析系統(tǒng)選擇患者左右側(cè)踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和大轉(zhuǎn)子等解剖位置作為運(yùn)動標(biāo)志點(diǎn)分析確定下肢矢狀面運(yùn)動規(guī)律;美國ATMI力臺可以同步采集雙側(cè)三維足底地面反力;德國Novel系統(tǒng)測量殘肢與接受腔界面壓力。選取代表下肢運(yùn)動生物力學(xué)特性的3個參數(shù)討論假肢對線設(shè)置的綜合影響:以膝關(guān)節(jié)力矩反映膝關(guān)節(jié)的活動能力和消耗,以步態(tài)對稱性表示步行外觀恢復(fù)程度,以殘端壓力反映穿戴假肢的舒適程度。用科學(xué)定量的數(shù)據(jù)分析不斷指導(dǎo)臨床假肢的適配,提高效率與精確度。

6 總結(jié)與展望

假肢接受腔的設(shè)計是下肢假肢設(shè)計中最重要、同時也是最困難的部分,它將直接影響載荷傳遞的合理性,從而決定佩戴假肢的舒適度和可控性[16]。盡管CAD/CAM系統(tǒng)、有限元分析法、數(shù)學(xué)建模法在假肢裝配與適用中的應(yīng)用提高了假肢矯形師們的效率,一些傳統(tǒng)的過程可因此而省略,但假肢的合理性仍依賴于假肢矯形師的個人經(jīng)驗(yàn)和技能。本文總結(jié)了假肢性能評價的幾種生物力學(xué)研究方法,為開發(fā)世界上第一個可直接應(yīng)用于臨床的接受腔生物力學(xué)性能評價系統(tǒng)作出了探索[17-19]。

對于未來假肢接受腔設(shè)計系統(tǒng)的特點(diǎn)展望,可總結(jié)如下:①評價準(zhǔn)則的確定和專家系統(tǒng)的建立將使接受腔設(shè)計更智能化、標(biāo)準(zhǔn)化:迄今為止,假肢評價準(zhǔn)則還沒有建立,這需要積累大量的病例,從統(tǒng)計分析中得到;可以預(yù)見,確定了相應(yīng)的評價準(zhǔn)則,將使專家系統(tǒng)的建立成為可能,未來的設(shè)計系統(tǒng)將能根據(jù)殘肢的形狀和皮膚的狀態(tài)直接建議接受腔形狀;②有限元模型的改進(jìn)將使得到的應(yīng)力分布更接近于真實(shí):為了保證臨床的可行性,現(xiàn)研究對一些因素做了簡化,比如軟組織的非線性、接觸面的滑移和摩擦等,隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和對這些因素的更深刻理解,未來的有限元模型將更為合理有效,因而得到的應(yīng)力分布更真實(shí),設(shè)計者們能得到更多、更準(zhǔn)確的信息;③基于網(wǎng)絡(luò)的接受腔設(shè)計將更快捷、經(jīng)濟(jì):未來的數(shù)據(jù)庫將集成日常事務(wù)管理的功能,同時它將能通過網(wǎng)絡(luò)與各醫(yī)院、中心以及相關(guān)的研究單位數(shù)據(jù)庫相聯(lián),通過建立一些公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議實(shí)現(xiàn)資源共享,使假肢設(shè)計能在遠(yuǎn)程進(jìn)行,從而更加經(jīng)濟(jì)、快捷[20]。

[1]樊瑜波,蒲放,張明,等.個體化下肢小腿假肢接受腔設(shè)計的生物力學(xué)評價技術(shù)研究[J].中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報,2004,23(6):544-548.

[2]韓雯,常鈞.現(xiàn)代康復(fù)工程的發(fā)展概述[J].醫(yī)療裝備,2007,20(4):13-14.

[3]Zhang M,Fan YB.Biomechanical studies on lower-limb prosthetic socket desig n[C].Recent Advances in Biomechanics Beijing,2001:134-138.

[4]Silver-Thorn MB,Childress DS.Generic,Geometric finite element analy sis of trans-tibial residual limb and prosthetic socket[J].J.Rehabil Res Dev,1997,34(2):171-186.

[5]宋雪玲,楊鵬,郭欣,等.假肢接受腔應(yīng)力測試及受力分析[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2001,30(6):40-44.

[6]T an KC,Lee PVS,Tam KF,et al.Automation of prosthetic socket design and fabrication using Computer-Aided-Design/Computer-Aided-Engineering and rapid prototyping techniques[C].the First National Symposium on Prosthetics and Orthotics,1998.

[7]王人成.假肢技術(shù)的研究熱點(diǎn)及發(fā)展趨勢[J].中國康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志,2005,20(7):483.

[8]Steele A L.A survey of clinical CAD/CAM use[J].Prosth Orthot,1994,6(2):42-47.

[9]胡天培,王森章,劉國慶,等.再造指控制電子假手的電腦控制系統(tǒng)研究[J].中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報,1997,16(2):142-146.

[10]張明,麥福達(dá).假肢接受腔的計算機(jī)輔助設(shè)計和應(yīng)力分析模型[J].現(xiàn)代康復(fù),2000,4(2):192-193.

[11]王勃,樊瑜波.下肢植入式骨整合假肢的生物力學(xué)研究[D].四川大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系,2006.

[12]李小兵,賈曉紅,王人成,等.對線對小腿截肢患者殘側(cè)下肢生物力學(xué)特性的影響[J].清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2007,47(5):644-646.

[13]賈曉紅,李小兵,王人成.小腿假肢對線對膝關(guān)節(jié)肌肉活動特性的影響[J].中國康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志,2006,21(12):1119-1122.

[14]賈曉紅,李小兵,王人成,等.一體化小腿假肢對線角度優(yōu)化設(shè)計[J].清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2007,47(5):647-650.

[15]劉永斌,閻寧,趙吉鳳,等.步態(tài)時相對稱性與假肢穿著者行走功能直觀評價的相關(guān)分析[J].中國康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志,1996,11(1):19-21.

[16]金德聞,張濟(jì)川.康復(fù)工程學(xué)的研究與發(fā)展[J].現(xiàn)代康復(fù),2000,4(4):643-646.

[17]鄭誠功.骨科生物力學(xué)的研究進(jìn)展[J].中華創(chuàng)傷骨科雜志,2004,6(1):43-45.

[18]倪國新.力學(xué)理念在骨科康復(fù)中的應(yīng)用與意義[J].中國康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志,2003,28(10):631-632.

[19]英瑞克·普普林.發(fā)展中國家假肢矯形器應(yīng)用的現(xiàn)況和未來[J].中國康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志,2003,18(1):7-8.

[20]蒲放,陳君楷,樊瑜波.下肢假肢接受腔生物力學(xué)評價及CAE技術(shù)研究[D].四川大學(xué)固體力學(xué)系,2001.