雙側(cè)髖關(guān)節(jié)離斷假肢交互步態(tài)行走機構(gòu)的研究

蔡麗飛,曹學(xué)軍,,楊平,姚申思,宋佳佳,莊建龍,張倩

雙側(cè)髖關(guān)節(jié)離斷假肢交互步態(tài)行走機構(gòu)的研究

蔡麗飛1,曹學(xué)軍1,2,楊平2,姚申思2,宋佳佳2,莊建龍2,張倩2

目的設(shè)計一種與雙側(cè)髖關(guān)節(jié)離斷假肢其他配件連接的交互步態(tài)行走機構(gòu)。方法將截癱患者用矯形器交互步態(tài)行走原理應(yīng)用于雙側(cè)髖關(guān)節(jié)離斷假肢交互步態(tài)行走機構(gòu)中,為1例截肢者安裝交互步態(tài)行走假肢,并與穿普通加拿大式雙髖離斷假肢擺過步態(tài)的行走速度和能量消耗進(jìn)行比較。結(jié)果患者穿交互步態(tài)行走假肢交互步行比穿普通加拿大式雙髖離斷假肢擺過步行能量消耗少,且減輕上肢負(fù)荷,行走外觀更接近常人;后者比前者行走速度快,但是能耗高。結(jié)論本截肢者交互步態(tài)行走假肢比傳統(tǒng)假肢步行能量消耗少,行走外觀更接近常人。

截肢;雙側(cè)髖關(guān)節(jié)離斷;假肢;交互步態(tài);能量消耗

雙側(cè)髖關(guān)節(jié)離斷通常是為挽救一些因脈管疾病、腫瘤、壓瘡或外傷累及雙下肢及骨盆者的生命而進(jìn)行的手術(shù)[1-3]。雙側(cè)髖關(guān)節(jié)離斷屬于高位截肢,這類截肢者的康復(fù)給醫(yī)生和技師帶來很大的挑戰(zhàn)。雙下肢截肢者使用輪椅是最簡單的解決移動的辦法。接受腔下面連接兩條假腿,可以一定程度上恢復(fù)外觀[2-3]。對于上肢非常強壯的截肢者,穿普通雙側(cè)髖關(guān)節(jié)離斷假肢可借助拐杖或助行架,經(jīng)過訓(xùn)練完成擺過或者擺至步行[4-5]。由于擺過或擺至步行需要雙上肢撐起身體及假肢重量向前擺動,對于上肢力量相對較弱的截肢者比較困難。

正常人的步態(tài)模式是雙腿交互前后擺動,部分截癱患者穿戴矯形器后可以借助助行器或雙側(cè)拐杖實現(xiàn)交互步態(tài)。交互步行矯形器的步行原理是膝、踝關(guān)節(jié)固定,髖關(guān)節(jié)在矢狀面允許一定范圍的活動。用雙側(cè)腋拐或助行器輔助,身體向一側(cè)傾斜時把身體重量轉(zhuǎn)移到支撐腿,通過不同機械裝置連接兩條腿,當(dāng)支撐腿處于伸展?fàn)顟B(tài)時,對側(cè)腿就屈曲,且保證雙側(cè)髖關(guān)節(jié)不會同時伸或屈,從而實現(xiàn)交互步態(tài)行走。現(xiàn)在常用到的交互步態(tài)截癱矯形器主要是環(huán)索型RGO(Louisana State University Reciprocating Gait Orthosis)、ARGO(Advanced Reciprocating Gait Orthosis)、IRGO(Isocentric Reciprocating Gait Orthosis)3種[6-7]。國外在上世紀(jì)80年代就有了將矯形器交互步行原理應(yīng)用于交互步態(tài)行走假肢的設(shè)計[8]?；颊叽┙换ゲ叫屑僦綉B(tài)更接近正常人,步行能耗降低,有助于改善心理[9]。但是國外已有交互步行假肢的設(shè)計存在對線調(diào)整困難、交互運動傳遞效率低等問題。國內(nèi)尚未見雙側(cè)髖關(guān)節(jié)離斷截肢者安裝交互步行假肢的報道。

本課題綜合國外研究的優(yōu)點[8-10],根據(jù)IRGO交互步行矯形器原理及7E7髖關(guān)節(jié)特性設(shè)計一套雙側(cè)髖關(guān)節(jié)離斷假肢交互步態(tài)行走機構(gòu),與雙側(cè)髖關(guān)節(jié)離斷假肢其他標(biāo)準(zhǔn)配件連接,使雙側(cè)髖關(guān)節(jié)離斷截肢者穿上假肢借助雙側(cè)腋拐能夠?qū)崿F(xiàn)交互步行。本研究旨在觀察該機構(gòu)的步行速度和能量消耗。

1 臨床資料

患者,女性,42歲,2009年6月騎自行車被道路清洗車碾傷。診為雙下肢離斷傷,骨盆骨折。行右大腿極短截肢,左髖關(guān)節(jié)離斷術(shù),骨盆外固定架固定術(shù),結(jié)腸造瘺術(shù),下肢截肢部創(chuàng)面植皮術(shù)。2010年1月為安裝假肢來本院進(jìn)行康復(fù)。

查體:患者左髖關(guān)節(jié)離斷,殘端前側(cè)廣泛瘢痕,左腹部結(jié)腸造瘺。右大腿行股骨小粗隆下3 cm水平截肢。右大腿截肢端前側(cè)及下腹部廣泛瘢痕。雙側(cè)髖關(guān)節(jié)部位肌肉萎縮。雙臂側(cè)平舉,雙手中指指尖距離158 cm。雙上肢肌力5級,關(guān)節(jié)活動度正常。雙側(cè)髖關(guān)節(jié)離斷假肢適用于一側(cè)大腿極短截肢、另一側(cè)髖關(guān)節(jié)離斷的截肢者,因此把這例患者作為本課題研究對象。

2 方法

2.1 交互步態(tài)行走機構(gòu)的設(shè)計、制作與改進(jìn)

2.1.1 設(shè)計要求 交互步行機構(gòu)與雙側(cè)髖關(guān)節(jié)離斷假肢其他配件連接以后患者穿假肢能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能:①不借助其他輔助器具能夠維持靜態(tài)站立平衡,保證安全;②步行時一條腿伸展,另一條腿同時產(chǎn)生屈曲運動;③髖關(guān)節(jié)屈伸角度限制在一定范圍;④坐位與站立位安全轉(zhuǎn)換;⑤對線易于調(diào)整。

根據(jù)文獻(xiàn)報道及中國康復(fù)工程研究所交互步行截癱矯形器安裝情況,我們發(fā)現(xiàn)與環(huán)索型RGO、ARGO等相比,IRGO整個框架及交互運動傳遞裝置均屬于剛性結(jié)構(gòu),運動效率傳遞高,能量消耗低,且IRGO搖桿上的萬向軸承有助于對線調(diào)整。因此,我們選擇IRGO的搖桿、箍板及髖關(guān)節(jié)系統(tǒng)作為交互運動機構(gòu),并對其進(jìn)行修改。

2.1.2 交互運動機構(gòu)構(gòu)成及修改 經(jīng)過修改的7E7假肢髖關(guān)節(jié)、IRGO髖關(guān)節(jié)及搖桿系統(tǒng):①標(biāo)準(zhǔn)的假肢髖關(guān)節(jié)是沒有后伸角度的,因此對7E7關(guān)節(jié)進(jìn)行修改使其既能屈曲運動又能后伸運動,以滿足交互運動的基本要求;②在7E7假肢髖關(guān)節(jié)下關(guān)節(jié)體內(nèi)加裝一個止伸裝置,通過調(diào)節(jié)它可以設(shè)定髖關(guān)節(jié)最大伸展角度,確保安全且能規(guī)定步長;③7E7關(guān)節(jié)軸沿軸向加長與IRGO髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)鎖片及髖鎖同軸,髖鎖與7E7下部分用一個楔塊固定在一起。見圖1。

當(dāng)手動把髖鎖向下推到開鎖位置時,髖鎖和假腿同時與搖桿系統(tǒng)分開,繞髖軸自由旋轉(zhuǎn),實現(xiàn)站位到坐位的轉(zhuǎn)換;當(dāng)手動把髖鎖向上推到鎖定位置時,腿、髖鎖及旋轉(zhuǎn)鎖片繞髖軸一起旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)鎖片通過萬向軸與IRGO搖桿連接。重力線通過一側(cè)髖關(guān)節(jié)軸后方產(chǎn)生伸髖力矩時髖關(guān)節(jié)伸展運動,通過搖桿傳到對側(cè)產(chǎn)生屈曲運動,于是產(chǎn)生交互運動。

2.2 交互步行假肢裝配 假肢接受腔采用雙側(cè)加拿大式,塑料板材加熱真空成型。用兩側(cè)的髂嵴懸吊假肢,承重是利用坐骨結(jié)節(jié)和其周圍的軟組織[3]。冠狀面髖關(guān)節(jié)連接板放置得盡量靠接受腔兩邊(圖 2a)。這個位置為步行增加穩(wěn)定性,且能使擺動腿在對側(cè)最小的傾斜下完成離地。接受腔采用整體式,只在前側(cè)開一個拱形門把對整體強度的影響降到最低,配以尼龍搭扣,既方便假肢穿脫,又保證接受腔與患者身體殘端穩(wěn)定地結(jié)合,防止在走路時產(chǎn)生相互扭動。接受腔外底面硬泡沫補高,保證水平坐位。改造的7E7及IRGO髖關(guān)節(jié)部分安放于接受腔前下方,IRGO箍板及搖桿與接受腔固定連接,IRGO箍板及搖桿材料為鋁鎂合金,重量輕,強度高。選用單軸帶鎖膝關(guān)節(jié)和靜踝軟跟腳(solid-ankle cushioned heel prosthetic foot,SACH腳)增加行走時的穩(wěn)定性和安全性,大腿及小腿連接部件均選用鈦合金材料減輕假肢重量。矢狀面靜態(tài)對線(圖2b)使重力線通過髖關(guān)節(jié)后面膝關(guān)節(jié)前面踝關(guān)節(jié)前,保持靜態(tài)平衡。

圖1 交互運動機構(gòu)裝配簡圖

圖2 交互步行假肢靜態(tài)對線

身高分階段逐漸長高,避免不易掌握平衡等問題的產(chǎn)生,先從短樁假肢開始,經(jīng)過1周左右的平衡訓(xùn)練和步行訓(xùn)練,安裝膝關(guān)節(jié)和小腿管,將患者最終穿假肢的身高定為157 cm,與截肢前的身高158 cm接近。

2.3 假肢使用訓(xùn)練 穿假肢前,增強全身體能的運動訓(xùn)練,主要是指導(dǎo)患者進(jìn)行雙上肢支持肌群、腹肌、腰背肌及兩側(cè)腰方肌的肌力增強訓(xùn)練,為穿假肢步行做準(zhǔn)備。

穿假肢后的訓(xùn)練包括:①假肢使用方法訓(xùn)練:包括穿脫假肢,使用假肢站/坐位轉(zhuǎn)換訓(xùn)練,移乘訓(xùn)練;②站立平衡訓(xùn)練;③步行訓(xùn)練:平衡杠內(nèi)步行訓(xùn)練,拄腋拐步行訓(xùn)練。

2.4 評價方法 經(jīng)過2周的步行訓(xùn)練,患者拄腋拐交互步行30 min可行走350 m。為評價交互步行機構(gòu)的實用性,還為這例患者安裝普通的雙髖離斷假肢,使用國產(chǎn)帶鎖髖關(guān)節(jié),與交互步行假肢相同的假肢接受腔及膝、踝關(guān)節(jié)等配件,減少差異性。并指導(dǎo)患者進(jìn)行擺過步行走訓(xùn)練[5,12],對比兩種步行方式的靜態(tài)平衡能力,行走速度及能量消耗[11]。經(jīng)過1個月的訓(xùn)練,患者可以拄肘拐進(jìn)行擺過步行走。分別對患者穿兩種假肢進(jìn)行以下實驗:

2.4.1 靜態(tài)平衡功能評價 參考國內(nèi)外研究[11,13],主要分析以下2個測試指標(biāo):①重心總軌跡長;②外周面積。使用德國Zebris公司的FDM步態(tài)分析跑臺進(jìn)行測試?；颊叻謩e穿兩種假肢靜止站立在跑臺上,記錄數(shù)據(jù)10 s,測試3次,取平均值。

2.4.2 行走速度 患者分別穿兩種假肢沿著一條20 m長的平坦路面以自選速度行走,每次只記錄中間10 m行走的時間,測試3次,取平均值。

2.4.3 能量消耗 本研究采用氧氣消耗作為能量消耗的一個評估。氧氣消耗描繪完成規(guī)定的行走任務(wù)需要的能量。讓患者穿兩種假肢帶上MetaMax3B便攜式運動心肺測試儀分別以擺過步態(tài)和交互步態(tài),在室內(nèi)一條平坦走廊以自選速度行走6 min,儀器對呼吸運動過程中的氣體流量、O2濃度、CO2濃度等參數(shù)進(jìn)行實時數(shù)據(jù)采集。實驗結(jié)束后根據(jù)患者行走距離、患者穿假肢體重、氧氣攝入量計算出能量消耗。

3 結(jié)果

各項測試結(jié)果如表1,由重心總軌跡長及外周面積的平均數(shù)得出,患者穿交互步行假肢的靜態(tài)平衡功能要好于穿普通雙髖假肢。擺過步行走比交互步行走速度快,但是能量消耗高。

表1 患者穿兩種假肢測試結(jié)果對比

4 討論

雙側(cè)髖關(guān)節(jié)離斷假肢適用于雙髖離斷、轉(zhuǎn)子下截肢、先天性雙下肢缺失、全骨盆切除等截肢者。假肢能夠改善患者坐位重量分布、緩解壓力區(qū)域、改善外觀。截肢者穿普通加拿大式雙側(cè)髖關(guān)節(jié)離斷假肢經(jīng)過訓(xùn)練,使用拐杖或助行器可實現(xiàn)擺過、擺至步行走,使用者雙上肢必須非常有力,能夠把身體及假肢撐起離開地面,屈曲骨盆帶動雙髖假肢向前擺動,完成邁步。擺動期全部身體重量及假肢重量都由雙上肢負(fù)荷。這種步行方式步幅大、行走速度快,要求非常好的軀干和上肢力量、平衡感覺、肌肉控制。對于上肢力量較弱的截肢者,穿普通雙髖假肢實現(xiàn)擺過、擺至步行走就會非常困難。

交互步行機構(gòu)使截肢者穿假肢能夠?qū)崿F(xiàn)交互步態(tài)行走,單腿支撐初期,截肢者把部分身體重量轉(zhuǎn)移到身體前側(cè)的腋拐上,通過使軀干側(cè)向傾斜至支撐腿,向上抬高擺動側(cè)骨盆使腳離地,軀干和骨盆在這個時期也伸展,向前推動骨盆并伸展支撐側(cè)髖關(guān)節(jié),這個伸展運動通過搖桿傳到對側(cè)使擺動腿髖關(guān)節(jié)產(chǎn)生屈曲。然后擺動腿接觸地面,步態(tài)周期重復(fù)。交互步態(tài)行走模式更接近正常人。截肢平面越高,穿假肢行走能耗越高[14],雙側(cè)髖關(guān)節(jié)離斷或更高水平的截肢者行走能耗要比下肢其他平面的截肢者高出許多,降低步行能量消耗可有效提高假肢使用率。

本研究顯示,1例右側(cè)大腿極短殘肢、左側(cè)髖離斷截肢者分別安裝普通加拿大式雙側(cè)髖關(guān)節(jié)離斷假肢和交互步行雙側(cè)髖關(guān)節(jié)離斷假肢,經(jīng)過訓(xùn)練,穿這兩種假肢拄雙拐分別實現(xiàn)擺過步行和交互步行。通過靜態(tài)平衡功能、行走速度及能量消耗測試對比,這例患者穿交互步行假肢比普通假肢靜態(tài)平衡功能好,步行能量消耗低,步行速度相對較低。由此看出,擺過步行與交互步行各具優(yōu)勢,普通雙髖離斷假肢擺過步行走速度快,年輕、體力好的截肢者可以選擇這種行走方式;本研究設(shè)計的交互步行機構(gòu)使患者穿上假肢交互步行,能夠降低步行能量消耗,減輕上肢負(fù)荷,行走外觀更接近正常人,為高位截肢者實現(xiàn)行走提供了一種新的更具吸引力的選擇。

本課題設(shè)計的交互步行機構(gòu)與雙側(cè)髖關(guān)節(jié)離斷假肢其他配件連接,假肢總重量9 kg。截肢者穿上假肢通過調(diào)整對線能夠保持靜態(tài)站立平衡,一側(cè)髖關(guān)節(jié)屈曲時對側(cè)髖關(guān)節(jié)伸展,借助雙拐能夠交互步態(tài)行走?；颊呤謩哟蜷_雙側(cè)髖關(guān)節(jié)鎖,雙上肢后伸,支撐輪椅兩側(cè)扶手,雙腿可同時屈髖,可以實現(xiàn)站位到坐位的安全轉(zhuǎn)換;患者雙上肢撐起身體直立,使髖關(guān)節(jié)后伸可以自動鎖定髖關(guān)節(jié),實現(xiàn)坐位到站立位轉(zhuǎn)換。交互步行機構(gòu)對假肢制作工藝要求簡單,對線便于調(diào)整。我們希望以后繼續(xù)完善此機構(gòu)設(shè)計,并作為此類截肢者的一種康復(fù)手段推廣使用。

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Design of Reciprocal Gait Prosthesis for Bilateral Hip Disarticulation

CAI Li-fei,CAO Xue-jun,YANG Ping,et al.Institute of Rehabilitation Engineering,Capital Medical University School of Rehabilitation Medicine,China Rehabilitation Research Center,Beijing 100068,China

ObjectiveTo design a reciprocal gait prosthesis connecting with the other prosthetic accessories for the bilateral hip disarticulation amputees.MethodsThe principle of reciprocal gait orthosis for paraplegia was used in the design,fitting reciprocal gait prosthesis for an amputee,which was compared with an ordinary bilateral Canadian type hip disarticulation prosthesis in the walking velocity and energy expenditure.ResultsThe amputee walked at lower energy expenditure and more like normal gait with reciprocal gait prosthesis while the walking velocity decreased,compared with the conventional prosthesis.ConclusionThis reciprocal gait prosthesis for bilateral hip disarticulation amputee needs less energy expenditure during walking like normal gait.

amputee;bilateral hip disarticulation;prosthesis;reciprocal gait;energy expenditure

[本文著錄格式]蔡麗飛,曹學(xué)軍,楊平,等.雙側(cè)髖關(guān)節(jié)離斷假肢交互步態(tài)行走機構(gòu)的研究[J].中國康復(fù)理論與實踐,2011,17(4):382—385.

首都醫(yī)學(xué)發(fā)展基金(2007-3133)。

1.首都醫(yī)科大學(xué)康復(fù)醫(yī)學(xué)院,北京市 100068;2.中國康復(fù)研究中心康復(fù)工程研究所,北京市 100068。作者簡介:蔡麗飛(1986-),女,河南安陽縣人,碩士研究生,主要研究方向:康復(fù)工程。通訊作者:曹學(xué)軍(1961-),男,上海市人,碩士,副教授,主要研究方向:康復(fù)工程。

R687,R496

A

1006-9771(2011)04-0382-04

2011-03-16)