主动型仿生踝关节假肢的设计

背景:与髋、膝关节假肢设计相对比较成熟的技术相比,踝关节作为人体下肢关节的重要组成部分,也是最为灵活的部分,一直以来研究都比较滞后,相关的假肢踝关节产品未能很好的满足假肢患者的需求.目的:从生物力学、解剖学和生理学角度出发,设计和研制出能在矢状面内做屈伸运动的主动型仿生踝关节假肢装置.方法:根据仿生学原理和人体踝关节在步态行走时的受力特点和生理功能,建立二自由度的主动型仿生踝关节的力学模型,设计假肢踝关节的机械结构与控制系统,其主要部件包括仿生踝关节系统、辅助装置、数据控制系统和数据采集系统.结果与结论:利用研制出的踝关节装置进行系统测试,使用正常人行走时的踝关节角度数据作为输入信号,以步进电机作为动力驱动实现模拟踝关节的运动,通过数据采集系统获得输出的角度数据.测试结果表明仿生踝关节能够跟随输入角度数据运动,实现了仿生踝关节跟随运动的预期目标.     

下肢假肢步态试验机的设计

实验于2008-03在上海理工大学生物力学与康复工程研究所完成。基于仿生学原理,将人体下肢简化为刚体结构,关节简化为单轴结构,设计出一套下肢假肢步态试验装置。整个步态试验机装置系统由模拟腿、动力和传动装置及测控系统组成,主要部件有躯干、大腿、小腿、脚板和髋关节、膝关节、跑步机以及驱动部分。采集健康青年人常速行走的运动步态参数,以其关节角度数据作为输入信号,以步进电机作为动力驱动实现模拟腿的运动,达到正常人行走步态的模拟。结果显示,对模拟后的输出信号进行采集并与输入信号相比,最大相对误差为5.6%,在工程误差允许范围之内。提示下肢假肢步态试验机能基本模拟人的正常步态。     

步态模式对人体髋膝踝关节运动协调关系的影响

摘要 目的：分析不同步态模式下髋膝踝关节的运动协调关系,为下肢智能假肢和助行外骨骼控制系统的运动规划提供依据。 方法：利用红外光点运动捕捉系统,采集10名20—35岁健康青年志愿者进行平地行走、上楼梯和下楼梯三种步态的运动轨迹,采用运动循环图对髋膝踝关节运动角度参数进行统计分析。 结果：不同步态模式的髋膝踝关节运动循环图存在显著的差异。 结论：步态模式对髋膝踝关节的运动协调关系有显著影响,下肢假肢和外骨骼可以借鉴相应的运动协调模式降低机械结构和控制系统的复杂性。     

基于有限状态机控制的智能假肢踝关节

背景：目前智能假肢只是考虑了膝关节的作用,假肢踝关节只是作为假肢膝关节的辅助工具,无法根据外部环境和步态的变化实现假肢自然的行走。目的：研制出可靠的智能假肢踝关节,有效改善截肢者的步态。方法：在阻尼可变式踝足假肢的基础上,提出了有限状态机的控制方法,对踝足步态进行了详细的划分,在每个步态内制定了相关的控制策略。结果与结论：实验结果表明,基于有限状态机控制的智能假肢踝关节能够有效的跟随健肢侧运动,能够适应不同的步速,为以后膝踝协调运动奠定了一定的实验基础。     

大腿截肢者步速识别系统设计

摘要 目的：设计步速识别传感器系统,安装在假肢接受腔上对行走步态进行识别。 方法：采用MMA7361L加速度传感器与ENC-03陀螺仪组成传感器系统,放置于假肢接受腔部位,获得大腿截肢者残肢侧运动信息。利用Quanser半实物仿真平台的数据采集模块采集传感器系统的信号,对数据进行预处理,使用小波变换提取信号特征值,最终由K最近邻算法进行速度识别。 结果：该系统结构小巧,反应灵敏,能够快速有效的识别截肢者的步行速度。 结论：该系统放置在假肢接受腔上能够快速有效的采集运动信息并且识别行走步速,为智能假肢控制提供输入信号。     

假肢步态实验平台设计

背景：目前对于假肢的评价还停留在主观感受,缺乏一套客观的评价系统,建立模拟人体运动的在线假肢参数检测系统对于假肢性能的评价、假肢研究设计具有重要意义。目的：实现假肢的多种步态运动,并通过运动学、动力学数据的比对,评价其仿真程度。方法：根据仿生学原理,将下肢假肢简化成四杆四轴的力学模型,利用采集得到的多种步态模式,驱动下肢假肢运动,并搭建动态力学测试平台,实时测量假肢运动的地面垂直反力和前后剪力。结果与结论：假肢步态运动,髋膝关节的变化曲线与正常步态数据相一致,而其地面垂直反力与前后剪力也与正常人体相接近。提示假肢步态实验平台模拟了下肢假肢步态运动,并实时采集假肢运动的多项运动学、动力学参数,具备较高的仿真程度。     

主动型仿生腿的驱动控制与性能评测

利用气动人工肌肉作为仿生腿的驱动装置,通过方波、斜波等激励信号测试仿生腿的摆动状况,找到最佳输入曲线使仿生腿最大程度仿真真腿摆动,并将仿生腿摆动的角度时间曲线与人体正常步态曲线进行对比,得到了两组曲线吻合程度良好的结果,并分析了导致误差的原因.文章结果可为主动型仿生腿的设计提供理论依据.     

假肢步态实验平台设计

背景:目前对于假肢的评价还停留在主观感受,缺乏一套客观的评价系统,建立模拟人体运动的在线假肢参数检测系统对于假肢性能的评价、假肢研究设计具有重要意义。目的:实现假肢的多种步态运动,并通过运动学、动力学数据的比对,评价其仿真程度。方法:根据仿生学原理,将下肢假肢简化成四杆四轴的力学模型,利用采集得到的多种步态模式,驱动下肢假肢运动,并搭建动态力学测试平台,实时测量假肢运动的地面垂直反力和前后剪力。结果与结论:假肢步态运动,髋膝关节的变化曲线与正常步态数据相一致,而其地面垂直反力与前后剪力也与正常人体相接近。提示假肢步态实验平台模拟了下肢假肢步态运动,并实时采集假肢运动的多项运动学、动力学参数,具备较高的仿真程度。     

具有路况识别功能的智能膝上假肢的研究

目的研究智能假肢具有对不同路况适应性的必要性和实现这种功能的关键技术。方法通过人体在不同路况下步行时的步态分析实验数据和所建立的下肢运动的动力学模型 ,得到膝关节力矩函数 ,在自行研制的智能膝上假肢系统中进行实验验证。提出根据大腿肌电信号特征进行路况辨识的智能假肢方法 ,并对上、下坡时部分肌肉肌电信号进行检测。结果在不同路况下 ,膝关节力矩有较大变化 ;上、下坡时部分肌肉肌电信号有明显不同。结论根据肌电信号特征进行路况辨识是可行的 ,所研究的智能假肢系统能实现对小腿运动规律和踝关节运动轨迹的控制 ,达到比较理想的结果。     

基于视频图像边缘检测的人体下肢运动步态*☆

背景:步态规律主要应用人体行走的运动学、动力学等参数进行描述.目前在运动医学、康复工程和仿生学等领域,步态分析可为确定疾病诊断、康复和治疗方案提供重要依据. 目的:应用基于人体运动图像的测量装置系统,采集人体在跑步机上行走的下肢运动步态视频,分析人体步态运动规律. 方法:采用基于双摄影机的人体运动图像捕捉系统,在人体的左右髋关节、膝关节、踝关节及脚板设置标识点,对人体在跑步机上行走的下肢运动步态视频进行采集.应用图像边缘检测的原理,对测量数据进行了图像处理和分析,得到人体正常步速行走时,左右大腿与竖直方向夹角、小腿与竖直方向夹角、脚板与竖直方向夹角及膝关节、踝关节标识点的关节角度变化规律. 结果与结论:基于视频图像边缘检测人体下肢的运动步态,成本相对低廉,数据误差较小,精度与进口设备较接近.应用该测量结果初步构建了人体步态行走数据库,为建立步态评定标准、异常步态判别以及进一步的康复治疗提供了依据.     

单侧小腿截肢患者穿假肢后的步态运动学参数研究

目的 采用计算机辅助康复环境(CAREN)步态评估系统分析单侧小腿截肢患者穿假肢后的步态运动学参数,并分析其产生差异的原因。 方法 选取单侧小腿中段截肢但均装配假肢的受试者9例设为假肢组,同期选择健全受试者11例设为标准组,通过CAREN步态评估系统对2组受试者的步态运动学参数进行收集、处理、分析,并根据分析报告阐明产生差异原因。 结果 假肢组步态时相性指数为(0.88±0.04),其假肢侧的步长、支撑期百分比、髋关节支撑期最大伸展角度、膝关节支撑期最大屈曲角度、踝关节足跟着地背屈角度、踝关节支撑期最大背屈角度、踝关节支撑期最大跖屈角度与健侧比较,差异均有统计学意义(P<0.05）。假肢组假肢侧的步行速度、步态周期、跨步长、支撑期百分比、髋关节足跟落地屈髋角度、髋关节支撑期最大伸展角度、髋关节支撑期最大屈曲角度、膝关节足跟着地屈膝角度、踝关节足跟着地背屈角度、踝关节支撑期最大跖屈角度、踝关节支撑期最大背屈角度与标准组双侧均值比较,差异均有统计学意义(P<0.05）。 结论 单侧小腿截肢者穿戴假肢后步态时相对称性为（0.88±0.04）,假肢侧踝关节运动学参数显著弱于自身健侧,其时空与运动学参数也显著弱于健全人。     

Human-prosthesis coordination: A preliminary study exploring coordination with a powered ankle-foot prosthesis

BackgroundPowered ankle-foot prostheses were developed to replicate the mechanics of the biological ankle by providing positive work during the push-off phase of gait. However, the benefits of powered prostheses on improving overall human gait efficiency (usually quantified by metabolic cost) have not been consistently shown. Here, we have focused on the mechanical work produced at the prosthetic ankle and its interaction with the amputee's movement.MethodsFive unilateral transtibial amputees walked on a treadmill using 1) a powered ankle-foot prosthesis and 2) their daily passive device. We determined the net ankle work and ankle work loops on the prosthesis-side to quantify the efficiency of the human-prosthesis physical interaction. We further studied peak propulsion timing and the posture of the amputee's lower limb and prosthesis as indicators of the human-prosthesis coordination. Comparisons were made between the passive and powered prosthesis conditions for each participant.FindingsThe powered prosthesis did not consistently increase net ankle work compared to each participant's passive device. For participants that lacked efficiency in interacting with the powered prosthesis, we observed 1) early prosthesis-side peak propulsion timing (≥ 4% earlier) and 2) a more vertical residual shank at the time of peak propulsion (> 2° more vertical) indicating that the human's limb movement and the prosthesis control during push-off were not well coordinated.InterpretationResults from this preliminary study highlight the need for future work to systematically quantify the coordination between the human and powered prosthesis and understand how such coordination at the joint level influences overall gait efficiency.     

Prosthetic gait of unilateral lower-limb amputees with current and novel prostheses: A pilot study

BackgroundNovel lower-limb prostheses aim to improve the quality of locomotion of individuals with an amputation. This study evaluates the biomechanics of a novel bionic foot during walking.MethodsAble-bodied individuals (n = 7) and individuals with a transfemoral (n = 6) or transtibial amputation (n = 6) were included. Able-bodied individuals conducted one experimental trial, whereas individuals with transtibial and transfemoral amputations conducted a familiarization (with current prosthesis) and two experimental trials using a passive and bionic prosthesis. Each trial consisted of 3 bouts of 2 min of treadmill walking at different speeds. Biomechanical data were gathered using a force platform and motion capture system and analysed using Statistical Parametric Mapping and (non)-parametric tests.FindingsConventional prosthetic feet alter gait patterns and induce locomotion difficulties. While walking at a normal speed with the passive prosthesis, transtibial amputees display reduced maximum heel forces, increased ankle and trunk angular velocities at midstance, and increased knee angle during stance and swing phases on their effected side (P ≤ 0.026). Improved lower-limb kinematics was demonstrated during slow and normal speed walking with the bionic prosthesis; however, dynamic trunk stability was negatively impacted during this condition. The bionic prosthesis did not benefit transfemoral amputees at any walking speed.InterpretationTranstibial amputees can better approximate typical movement patterns at slow and normal walking speeds using the novel bionic prosthesis; however the same benefit was not observed in transfemoral amputees.     

人工全踝关节置换假体类型及其评价系统

背景：人工全踝关节置换在国内外已相继开展,其中远期疗效不甚满意。人工踝关节假体的设计研究与开发、疗效评价系统的优化和规范与其中远期疗效密切相关。目的：分析近年来人工踝关节假体设计与开发及踝关节置换后疗效评价系统的研究进展。方法：电子检索CNKI数据库、万方数据库、维普数据库等中文数据库和PubMed数据库中1980/2010关于人工踝关节置换假体类型与评价系统的相关综述和研究报告,在标题和关键词中以＂踝关节,置换术,假体,评价系统＂或＂ankle joint,replacement,prosthesis,evaluation system＂为检索词进行检索。选择文章内容与人工踝关节置换相关,同一领域文献则选择近期发表或发表在权威杂志上的文章,分析踝关节置换假体类型与评价系统,适应症与禁忌症的研究进展。结果与结论：共纳入人工踝关节置换假体研究与评价系统的相关文献33篇。人工关节置换治疗疼痛踝关节是一直探索不辍的课题,人工踝关节置换术的中远期疗效有赖于踝关节假体的设计研究与开发、疗效评价系统的优化和规范,人工踝关节应该有较大的改进和提高,使人工全踝关节置换达到更优的疗效和更高的生存率,同时应有更合理和规范的评价系统来评价疗效。     

步态分析技术评估人工踝关节置换前后踝关节功能的改善程度

背景：人工踝关节置换目前得到了广泛的应用,疗效也得到了一定的认同,但目前的疗效评估多是通过各类评分标准进行评估,但对于踝关节置换后患者步态改变尚缺乏研究。目的：通过Kofoed评价系统及步态分析技术比较人工踝关节置换患者置换前置换后踝关节功能的改善程度。方法：收集2007-09/2011-06在上海交通大学医学院附属仁济医院骨科进行人工踝关节置换的患者,对其置换前后行Kofoed评分及步态分析,并与15例正常对照者进行比较,观察置换前后患者踝关节功能的改变。结果与结论：人工踝关节置换后,Kofoed评分及步态参数步长、步速、患侧单腿支撑时间、双腿支撑时间、患侧踝关节、健侧踝关节、患侧髋关节、患侧膝关节、健侧膝关节行进中关节最大活动度出现明显改善（P〈0.05）。     

STAR非限制活动型全踝假体的研究：现状及应用分析

背景：STAR踝关节假体可以提供踝关节的自由运动,平衡,且截骨量小。目的：查阅相关的文献资料来对STAR假体的发展史、评价系统进行综述。配套的器械操作简单、定位准确、安装时保证假体的设计特点、临床应用适应证、禁忌证、临床疗效及其方法：以下列英文检索词：ankl ereplacement AND star、ankle arthroplasty AND star、ankle prosthesis AND star,以及中文检索词：踝关节,置换,STAR假体,检索2000年1月至2012年12月Medline、PubMed、EMbase和Cochrane library数据库的相关文献。选择与踝关节假体进展、踝关节假体置换的适应证及禁忌证有关文献,以及踝关节置换与Kofoed评分、Mazur评分、AOFAS评价系统有关研究文献。纳入36篇符合标准的文献进行分析阐述。结果与结论：至今已有3代全踝关节假体相继问世,国内使用最广的是STAR假体。改进的假体均采用踝关节运动载荷型设计,对假体的骨内部分、切骨、固定方式以及消除有害应力等方面都有很大的改善。对15篇文献回顾STAR假体置换导致失败的原因,最常见为假体松动、力线异常、感染。踝关节的解剖结构以及独特的生物力学特点决定了人工踝关节置换后并发症的复杂性,对置换患者的选择以及踝关节置换技术水平的提高都能降低置换后并发症的发生。     

痉挛型脑瘫患儿个体化康复治疗前后步态特征分析

目的:采用三维步态分析定量评价痉挛型脑瘫患儿下肢步态特征,为其下肢功能的康复疗效提供量化评定依据。方法:选取我院10例脑瘫患儿为观察组,再将12例健康儿童为对照组,应用三维运动捕捉系统采集2组的步态时空参数及运动学参数,根据评定结果为观察组制定个体化康复训练,在训练1个月前后分别对观察组采用粗大运动功能评定(GMFM)、Berg平衡量表(BBS)、改良Ashworth肌张力评定量表(MAS)及三维步态分析系统进行评定。结果:治疗1个月后,观察组GMFM和BBS评分较治疗前均明显提高(均P<0.01),MAS评分较治疗前明显下降(P<0.01)。观察组步态周期和跨步时间较治疗前均明显降低(均P<0.05),步频、跨步长、步长及髋、膝关节的关节活动度和屈曲最大角度以及踝关节的关节活动度较治疗前均明显增加(P<0.05,0.01);观察组治疗前后较对照组比较,步频、步速、跨步长及步长均明显降低(均P<0.01),除了膝关节屈曲最大角度差异无统计学意义,其余髋、膝及踝关节各运动学参数均明显增加(均P<0.01)。结论:三维步态分析可以量化评定脑瘫患儿的下肢运动功能,能为患儿康复治疗方案的精确制订及疗效评估提供客观科学依据。