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。     

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.     

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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

仿生人工膝关节机构的运动学分析

膝关节是人体最大最复杂的关节,而膝关节装置作为下肢假肢的核心部件,对仿生特性有较高的要求,文章基于仿生学原理,深入分析了本仿生膝关节的运动学特性,如滚动和滑动比例以及瞬心位置曲线等,进一步研究接近正常运动规律的仿生膝关节.以人体膝关节运动规律为原型进行简化,提出了膝关节生物力学模型,分析了仿生膝关节的滑动比率和滚动比率以及瞬心位置的求法,对膝关节的瞬心曲线进行了探讨和计算公式的推导,以及滚动滑动比率的计算,并将其结果与人体膝关节参数进行比较,两者吻合程度较高.这对仿生人工膝关节的运动稳定性分析以及进一步研究其结构和功能具有理论指导意义,从而为深入研制仿生人工腿奠定基础.     

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.     

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。     

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。     

肖帕特截肢应用碳纤脚假肢的远期效果

目的探讨肖帕特(Chopart)截肢应用碳纤脚假肢的远期效果。方法56例患者随机分为2组,假肢组应用碳纤脚制作假肢,矫形组应用传统矫形鞋,2组均配合常规康复训练,30d和1年后分别对患者步态、踝关节解剖位置、皮肤情况进行评定。结果30d时假肢组仅步态稍优于矫形组,踝关节解剖位置、皮肤情况与矫形组差异无显著性;1年后假肢组步态、踝关节解剖位置、皮肤情况均明显优于矫形组,差异有显著性(P<0.01)。结论Chopart截肢应用碳纤脚制作假肢是一种值得推荐的新方法。     

六连杆假肢膝关节优化设计

目的：假肢膝关节的设计对于膝上截肢者的安全与步态关系重大。为了改善膝上假肢穿戴者的步态,设计了六连杆假肢膝关节。方法：采用最优化设计使摆动相步态尽可能逼近正常步态;在结构设计上利用瞬停节特性使膝关节在支撑期有自锁功能并具有很强的抗干扰能力。结果：计算机仿真为踝关节运动轨迹均方误差不超过１．９６％。结论：该膝关节假肢在支撑期保持稳定性的同时,在摆动期内膝、踝关节运动轨迹,以及大小腿的角度变化关系相对于正常人具有很好的逼近效果,能够有效改善患者步态。     

Novel passive ankle-foot prosthesis mimics able-bodied ankle angles and ground reaction forces

Background: During gait, the human ankle both bends with ease and provides push-off forces that facilitate forward motion. The ankle is crucial for support, stabilization, and adapting to different slopes and terrains. Individuals with lower limb amputation require an ankle-foot prosthesis for basic mobility.Methods: Inspired by the role of the ankle-foot in an able-bodied gait, the 3D printed Compliant and Articulating Prosthetic Ankle (CAPA) foot was designed. It consists of four articulating components connected by torsion springs and produces forces that are dependent on the ankle angle. Using the Computer Assisted Rehabilitation Environment, able-bodied individuals walked wearing a prosthetic simulator with the Solid Ankle Cushioned Heel foot, Renegade® AT, and multiple versions of the CAPA. These versions test compliant vs. stiff, small vs. large rocker radius, and pretension vs. none. We hypothesized that the CAPA would have larger ankle range of motion, push-off forces, and braking forces.Findings: Compared to existing prostheses, the novel prosthesis exhibits greater and significantly different ankle range of motion and sagittal plane ground reaction forces than existing prostheses during gait. Nine out of ten individuals prefer the novel prosthesis to the existing prostheses, and there is a statistically significant difference in difficulty level ratings.Interpretation: By providing a personalizable and passive alternative to existing designs, the CAPA could improve the quality of life for the growing number of individuals living with limb loss in the United States and around the world.     

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.     

Endoprothese bei Arthrose des oberen Sprunggelenks

There is no doubt that total ankle replacement has much improved in recent years. Most recent reports on current ankle prosthesis designs have shown prosthesis survival rates of 92?C98% after 5 years. Nevertheless, the underlying problems of osteoarthritis of the ankle are more critical than those of the hip or knee. Firstly, posttraumatic osteoarthritis in the ankle joint accounts for approximately 80% of cases. The surrounding soft tissues are often of poor quality and bony geometry and alignment may have changed significantly. Secondly, the patients are on average approximately 10 years younger than those with knee or hip osteoarthritis and therefore have a higher activity level. Many new ankle designs have been brought onto market in recent years and new implantation techniques and instruments may have made replacement surgery easier and more reliable. However, recognition and appropriate treatment of associated problems and pathologic processes within the hind foot complex are the key issue for long-term success in total ankle replacement.