下肢假肢智能對線系統(tǒng)①

周大偉，方新

安裝假肢是截肢患者恢復(fù)活動能力和外觀的主要康復(fù)手段，假肢性能直接影響患者的康復(fù)水平。在下肢假肢制作及裝配過程中，需要通過工作臺對線、靜態(tài)對線和動態(tài)對線確定接受腔與功能部件之間的空間相對位置關(guān)系。對線不僅影響假肢舒適性和安全性，而且和患者的站立姿勢、步態(tài)、能耗等都有著直接的關(guān)系[1-5]。目前的對線方法主要依靠技師的反復(fù)調(diào)整和患者自我感覺反饋，不僅耗時、耗力，而且過于依賴技師的經(jīng)驗(yàn)[6]。站立是人的一種主要活動狀態(tài)，踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)是下肢的重要活動關(guān)節(jié)，因此研究站立狀態(tài)下肢假肢對線對下肢的受力影響，是從生物力學(xué)角度尋找最優(yōu)對線的重要基礎(chǔ)[7]。

1 現(xiàn)有假肢對線工具概況

現(xiàn)有的假肢對線工具主要有測量長度和高度的游標(biāo)卡尺、鋼板尺和直尺；判定患者骨盆水平、等高的水平尺；用來確定相互垂直的兩個空間面位置關(guān)系的三維對線架；利用重錘確定人體軀干重力線的吊線錘；利用激光亮度高、定向發(fā)光的特性制作而成激光對線儀；將承重傳感器與激光結(jié)合起來的承重激光對線儀[8]。這些設(shè)備均為被動地測量患者穿戴假肢的狀態(tài)，可視化比較差，無法形象地顯示人體重心相對于假肢的位置，需要假肢技師依據(jù)自己的臨床經(jīng)驗(yàn)，綜合這些工具給出的測量結(jié)果，并根據(jù)相應(yīng)的生物力學(xué)原理來評估患者穿戴假肢的感覺，判斷假肢組件應(yīng)向哪個方向調(diào)整，評估患者穿戴假肢的平衡性。如果對線沒有優(yōu)化，患者的殘肢皮膚最終將產(chǎn)生不適、擦傷、破裂、疼痛，可能會造成感染，殘肢活動水平下降[9]。

2 下肢假肢智能對線系統(tǒng)

下一代的假肢技術(shù)將包括信息收集、通訊和基于患者數(shù)據(jù)分析的評估。它們將用于衡量患者效果和臨床服務(wù)。因此越來越多的假肢產(chǎn)品在生物力學(xué)領(lǐng)域整合了微電子技術(shù)，使用軟件和通訊建立了各種假肢臨床裝配智能評估技術(shù)平臺[10]。

2009 年，美國研制出一種新的下肢假肢智能對線調(diào)節(jié)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由內(nèi)置力傳感器的智能四棱錐、藍(lán)牙激光接收器、計(jì)算機(jī)和專用軟件組成。使用時，裝有傳感器的四棱錐固定在接受腔底部，藍(lán)牙激光接收器安裝在四棱臺上?；颊叽┲僦凶邥r，四棱錐中的傳感器測量四棱錐凸臺上螺絲受到的壓力；接收器將數(shù)據(jù)儲存起來，供計(jì)算機(jī)后續(xù)分析使用。它也可將數(shù)據(jù)通過無線傳輸即時傳遞給計(jì)算機(jī)。

計(jì)算機(jī)調(diào)用事先錄入的接受腔與地面距離數(shù)據(jù)，對傳感器實(shí)測的受力按照一定的算法進(jìn)行計(jì)算，實(shí)時計(jì)算假腳在各個方向上的力矩，即背屈力矩、跖屈力矩、內(nèi)翻力矩和外翻力矩。通過假腳的力矩分析，繪制該假肢在步態(tài)周期中的假腳所受力矩?cái)?shù)值，并給出相應(yīng)的參考力矩曲線帶。通過比較患者實(shí)際假腳力矩曲線和參考力矩曲線的差異，假肢技師可以直接判斷假腳或者接受腔的傾斜角度和平移方位。該軟件還能自動分析，直接給出四棱錐調(diào)節(jié)系統(tǒng)螺絲的調(diào)節(jié)建議，假肢裝配人員可依據(jù)該建議直接進(jìn)行調(diào)整，使患者穿著假肢達(dá)到最佳對線狀態(tài)。

這種新的診斷技術(shù)直觀性強(qiáng)，直接針對接受腔與假腳的受力進(jìn)行調(diào)整，并給出具體的調(diào)整建議。該假肢對線量化技術(shù)使假肢異常步態(tài)的調(diào)節(jié)與評估更加快捷有效，不依賴于假肢技師的經(jīng)驗(yàn)。其特點(diǎn)有：①精確的對線，能夠測量每個假肢的實(shí)時步態(tài)數(shù)據(jù)，優(yōu)化假肢對線；②智能化，步態(tài)分析軟件能夠自動擴(kuò)展和整合步態(tài)參數(shù)，提供假肢步態(tài)分析的動力學(xué)測量；③使用簡單，系統(tǒng)的智能四棱錐和假肢四孔陰連接盤或陽連接盤大小相同，可直接安裝在接受腔底端；④量化評估，系統(tǒng)能夠精確地顯示假肢的生物力學(xué)改變，避免假肢技師消耗大量的時間分析各種假設(shè)上的對線改變；⑤標(biāo)準(zhǔn)化對線，系統(tǒng)自動提供體重、假肢承受的體重、矢狀面和額狀面力矩、站立時間、擺動時間、步頻、壓力中心前進(jìn)方向等主要假肢對線量化指標(biāo)。

3 下肢假肢智能對線系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 幫助患者平衡體重

下肢假肢智能對線調(diào)節(jié)系統(tǒng)的體重分散圖主要提供三個主要功能：①動態(tài)顯示假肢和健側(cè)腿的重量對比；②利用即時的圖示反饋，使假肢技師更好地與患者就肢體承重問題進(jìn)行溝通；③通過可視化體重比例顯示使患者更快地提高肢體均勻承重能力。

對于很多截肢患者，尤其是最近截肢、殘肢有疼痛或神經(jīng)疾患的截肢者，因患者的感覺和接受腔體重分散受力的認(rèn)識有限，假肢技師很難了解殘肢是否均勻承重[11]。站立圖在站立畫面中顯示兩個體重分布柱狀圖，一個柱狀圖為“假肢側(cè)”動態(tài)受力狀態(tài)，另一個柱狀圖代表著健側(cè)腿。通過這一信息，智能四棱臺自動診斷假肢接受腔受力狀態(tài)；患者通過原始柱狀圖作為視覺反饋，調(diào)整轉(zhuǎn)換站立期雙腿負(fù)重，能幫助他們快速掌握如何使用假肢均勻承受體重。

3.2 假腳過度跖屈的調(diào)整

當(dāng)假腳過度跖屈時，軟件常過早顯示從足跟到足趾的受力。圖1為軟件采集截肢患者步行參數(shù)，較寬的曲線帶為下肢截肢患者正常步態(tài)假腳力矩，較細(xì)的多條曲線為患者實(shí)際行走力矩曲線，圓圈提示出患者實(shí)際曲線與參考曲線差異較大的區(qū)間。圖中上面的曲線顯示的是假腳跖屈和背屈力矩，下面的曲線顯示的是假腳內(nèi)側(cè)和外側(cè)的力矩。足跟承重和足趾承重之間過渡期應(yīng)該處于站立期的35%左右[12]。早期過度的前足力矩，使身體的重心向前移動緩慢，使步態(tài)缺乏效率。

在步態(tài)周期的站立期有三個滾動環(huán)節(jié)：足跟滾動、踝關(guān)節(jié)滾動、前足滾動[13]。在假肢對線中，足跟滾動對足的前后位置影響最大，踝關(guān)節(jié)滾動對足的跖屈和背屈影響最大，前足滾動對假腳龍骨的狀態(tài)有很大的影響[14]。根據(jù)系統(tǒng)提示對智能四棱臺近端進(jìn)行對線調(diào)節(jié)，改變圖1中足跟受力到足趾受力的過渡時間和量級。如果調(diào)整足部踝關(guān)節(jié)處的四鄰臺，在站立中期從足跟受力到足趾受力的斜坡力線將會受到更大的影響。

3.3 假腳過度外翻的調(diào)整

如圖2圓圈所示，假腳的內(nèi)外側(cè)力矩出現(xiàn)問題，假腳位置偏外，導(dǎo)致足部外翻(X型腿)。一般這種細(xì)微的錯誤對線，肉眼無法觀察，只能通過系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)識別。按照系統(tǒng)建議改變假肢對線后，患者立即感覺到穩(wěn)定的步態(tài)和較強(qiáng)的步行信心。

膝關(guān)節(jié)肌肉控制膝關(guān)節(jié)前后力矩比內(nèi)外力矩要大很多，因此錯誤的內(nèi)外力矩將會在系統(tǒng)內(nèi)外力矩圖上產(chǎn)生巨大的效應(yīng)[12]。內(nèi)外對線非常小的改變都能很快改變假腳內(nèi)翻和外翻力矩。

圖1

圖2

4 小結(jié)

現(xiàn)在針對假肢接受腔的適配，已經(jīng)廣泛采用壓力分布測量系統(tǒng)測試假肢接受腔與殘肢之間的壓力[15]，但是針對假肢對線的診斷依然停留在原始的肉眼觀察、經(jīng)驗(yàn)判斷階段。當(dāng)肉眼調(diào)整人體動態(tài)對線時，走動過程中難以觀察到各個平面的力矩。盡管一些患者穿戴假肢后走得很好，但仍然需要對他們存在假肢對線差異進(jìn)行能量補(bǔ)償。新的下肢假肢智能對線調(diào)節(jié)系統(tǒng)巧妙地將力矩傳感器內(nèi)置于假肢通用對線四棱臺內(nèi)，通過四棱臺的螺絲測量接受腔各個方向的力矩，通過力矩量化假肢對線的質(zhì)量，對假肢的裝配具有重要的指導(dǎo)和評估意義。

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