步态分析在假肢设计中的应用

步态分析是现代假肢仿生设计的重要依据和工具,文章结合智能多轴膝关节设计实例,从设计目标、机构设计和控制系统3个层次介绍了步态分析在假肢设计中的应用。     

双侧髋关节离断假肢交互步态行走机构的研究

目的设计一种与双侧髋关节离断假肢其他配件连接的交互步态行走机构。方法将截瘫患者用矫形器交互步态行走原理应用于双侧髋关节离断假肢交互步态行走机构中,为1例截肢者安装交互步态行走假肢,并与穿普通加拿大式双髋离断假肢摆过步态的行走速度和能量消耗进行比较。结果患者穿交互步态行走假肢交互步行比穿普通加拿大式双髋离断假肢摆过步行能量消耗少,且减轻上肢负荷,行走外观更接近常人;后者比前者行走速度快,但是能耗高。结论本截肢者交互步态行走假肢比传统假肢步行能量消耗少,行走外观更接近常人。     

使用下肢假肢者的步态训练

下肢假肢使用者由于受到心理因素影响及假肢假脚的限制，其步态与正常步态有较大区别，影响到使用者的生活和社会活动。如能给予适当的指导和训练则可使患步态较接进正常及缩短适应假肢时间。通过对85例下肢截肢患者安装假肢前后进行针对性的心理治疗及步态训练收到了良好的效果。     

一种智能膝关节假肢及其步态对称性评价

目的 提出一种评价智能膝关节假肢步态对称性的方法。方法 设计智能膝关节假肢样机AiKneeOne以及可穿戴式步态数据采集系统。以步态周期中第一次双脚支撑时间、单脚支撑时间、第二次双脚支撑时间和摆动相时间作为参数，计算对称指数(SI)和对称指标比率RⅠ、RⅡ评估步态对称性指标。5例健康人模拟穿戴AiKneeOne，以0.5、0.7、1.1 m/s速度在平板上行走，采用可穿戴式下肢步态数据采集系统采集数据，进行实测。结果 不同速度下，第一次双脚支撑和第二次双脚支撑时，SI和RⅡ绝对值较低、RⅠ接近1，对称性较好；单脚支撑和摆动相时，对称性有待提高。结论 智能膝关节假肢AiKneeOne具备重建截肢者步态的潜力，步态对称性指标可用于智能膝关节假肢穿戴性能评估测试。     

膝上假肢使用者步态对称性分析

在对膝上假肢使用才健侧和残侧的步态进行检测的基础上、对健、则在步态周期内的地面反力、下肢 时相对称性进行了对比和分析，时相对生差异是膝上截肢者步态的主要问题，指同了产生时相不对称的原因并对则对健侧的影响进行了探讨。由于受残侧的影响，健侧的步态与正常步态相差也很大，所得结论对改进假肢性能１假肢装配和患者的训练有重要意义。     

小腿假肢穿戴者步态中的脊柱生物力学分析

目的：通过实验证明小腿假肢穿戴者的腰痛与穿戴假肢后行走产生的脊柱生物力学参数改变有关。方法：对小腿假肢穿戴者步态中的脊柱生物力学进行运动学和动力学分析,利用三维动态捕捉系统和地面反力采集设备采集正常人和穿戴者的步态,对比分析了正常步态与穿戴者产生的下肢不等长步态在时空参数、地面反力、脊柱骨盆关节角度和重心高度数据结果。结果：小腿假肢穿戴者步态中的脊柱骨盆倾斜角度与正常人存在很大差异,且在整个步态周期中明显不同。穿戴者脊柱生物力学参数改变是为了弥补截肢后小腿和足部功能损失引起的不稳定,穿戴者的异常步态引起了脊柱相关肌肉和骨骼状态的改变。同时,假脚的设计可能会对穿戴者脊柱生物力学参数产生影响。结论：行走产生的脊柱生物力学参数改变很可能是小腿假肢穿戴者腰痛的发病原因。不同假脚的设计产生的穿戴者脊柱生物力学参数改变有不同影响。     

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。     

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。     

假肢智能膝关节研究进展

智能下肢假肢一般是指带有智能膝关节的假肢,其智能主要体现在可以随着步行速度、关节角度变化自动调整假肢膝关节控制力矩，使假肢步态在对称性和跟随性等方面更接近健康人步态，具有较高仿生性能。     

生物力学用于假肢性能评价的研究进展

生物力学研究方法用于假肢性能评价的方法主要有接受腔/残肢界面应力测试,接受腔计算机辅助设计制造,有限元分析在假肢研究中的应用,假肢三维刚体动力学模型的应用,假肢步态分析、足底受力系统等的应用,并对未来假肢接受腔设计系统的特点进行展望。     

下肢永久性假肢装配后的功能训练和步态分析

下肢永久性假肢装配后，步态训练是最重要的。在实际训练中，患穿戴下肢永久性假肢的步行模式应该尽可能接近于正常人的步行模式。章着重讨论了下肢永久性假肢装配后的功能训练和步态分析方法。以期在临床工作中更好的发挥假肢的替代功能。     

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。     

一种动力型髋离断假肢控制系统研究

目的 探讨一种动力型髋离断假肢控制方法提升佩戴者步态对称性的可行性。 方法 通过九轴姿态传感器采集健康人体下肢步态运动学信息,使用BP神经网络建立穿戴髋离断假肢截肢者健侧-假肢侧运动学映射模型。将截肢者健侧腿的运动学信息实时传入该映射模型,生成髋离断假肢运动的目标轨迹,结合下肢假肢动力学模型,通过PID算法控制髋离断假肢电机运动,实现截肢者的实时步态分析和假肢的实时控制。记录截肢者穿戴动力髋离断假肢行走实验中的步长、步频及最大髋关节角度等数据,并结合步态对称性指标SⅠ、RⅠ、RⅡ对假肢控制效果进行评估。 结果 BP神经网络建立的截肢者健侧和假肢侧的运动学映射模型,综合关联度达到98.7%。相对于传统髋离断假肢,动力髋离断假肢髋关节的最大屈曲角度提升了105.5%,截肢者的步态对称性指标SⅠ和RⅡ分别提升了74.2%和72.2%。 结论 动力型髋离断假肢控制系统能提高假肢穿戴者的步态对称性。     

三维步态分析在截肢患者康复中的应用

采用Vicon三维步态分析系统对健康人和穿戴假肢的下肢截肢患者进行步态分析,表明该系统可提供运动学参数和生物力学参数的变化,由此分析假肢穿戴者与健康人各关节运动的差异。将三维步态分析应用于截肢患者康复方面是切实可行的。     

膝上截肢患者穿截假肢后的功能评定

２０例膝上不同水平截肢患者穿戴假肢后，利用步态分析、步行能力及假肢的悬吊能力三项指标进行功能评定。结果综合评定优秀率以膝离断假肢为最佳达８９％，依次为大腿中下１／３截肢、大腿中段截肢、大腿中上１／３截肢，髋离断假肢功能评定优秀率最低。提示骨科医题应重视截肢平面的选择。同时步态分析、步行能力及假肢悬吊能力三项评定指标为完善下肢假肢功能的评定提供了有益的参考指标。本组２０例膝上不同水平截肢患者的假肢代     

使用下肢假肢者的步态训练

下肢假肢使用者由于受到心理因素影响及假肢假脚的限制,其步态与正常步态有较大区别,影响到使用者的生活和社会活动。如能给予适当的指导和训练则可使患步态较接进正常及缩短适应假肢时间。通过对85例下肢截肢患者安装假肢前后进行针对性的心理治疗及步态训练收到了良好的效果。     

小腿假肢-触觉振动反馈系统的设计

摘要 目的：为了提高小腿假肢穿戴者的步态协调与对称性,降低长期穿戴假肢造成的腰背痛、膝骨关节炎等并发症,我们设计了一套小腿假肢-触觉振动反馈系统,以达到对小腿假肢穿戴者的步态进行自动识别,并根据设定的参数提供振动反馈,从而帮助提高小腿截肢者的平衡功能与行走能力,以及适应各种变化的外在环境。 方法：通过在健侧和假肢侧的大小腿位置,以及假脚的足背共安装5个陀螺仪传感器来采集肢体运动信息,控制主板进行比对数据处理,然后通过固定在假肢侧大腿前后左右的振动马达来对患者行走状态进行提醒并建立条件反射,进而达到调节小腿假肢穿戴者步态平衡性和对称性的目的。招募了6例小腿截肢者参与实验,对穿戴该系统前后的步态参数进行比对。 结果：6例小腿截肢者使用触觉振动反馈系统4周后,步速、健侧单步时长/假肢侧单步时长、健侧摆动期/假肢侧摆动期差异均有显著性意义（P≤0.05）,穿戴4周后3项指标均高于穿戴前。穿戴前后健侧步长/假肢侧步长差异无显著性意义（P=0.052）。 结论：该小腿假肢-触觉振动反馈系统可帮助提高小腿假肢穿戴者的步态对称性和平衡功能,提高假肢使用的安全性,降低跌倒风险,增加患者对假肢的接受度和依从性,具有实用性和可行性。     

基于有限状态机的智能下肢假肢控制

背景:传统的下肢假肢行走状态改变时膝关节阻尼不能随之改变,假肢跟随性差,变化范围小。目的:基于有限状态机的智能下肢假肢控制方法,实现假肢侧对健肢侧的实时跟踪和步速跟随。方法:智能下肢假肢采用带固定式气缸阻尼器的四连杆机构,采用有限状态机的控制方法,感知当前的步态事件,触发步态状态的转变,调整对应的步态模式,得到步态规划的输出动作。结果与结论:实验结果表明,智能下肢假肢能够进行步速识别和步态识别,控制器输出不同的控制策略,控制步进电机调整膝关节阻尼的大小,假肢侧能够对健肢侧进行实时跟踪和步速跟随。     

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。     

下肢永久性假肢装配后的功能训练和步态分析

下肢永久性假肢装配后,步态训练是最重要的。在实际训练中,患者穿戴下肢永久性假肢的步行模式应该尽可能接近于正常人的步行模式。文章着重讨论了下肢永久性假肢装配后的功能训练和步态分析方法。以期在临床工作中更好的发挥假肢的替代功能。