智能下肢假肢传感器的应用

背景:下肢运动是一种复杂的运动,采用合适的传感器获取人体运动生理信息,成为智能假肢控制的前提.国际上现有的下肢假肢控制信息源为与运动信息有关的物理量,这类信息可以直接反映人体运动的生物力学特性,采集比较简单,非常适合实时控制.现有智能下肢假肢产品根据采用的控制方法不同选择一种或几种传感器测量人体运动信息.目的:研究一种能够采集智能下肢假肢控制所需人体运动信息的传感器系统.方法:对智能下肢假肢带固定式气缸阻尼器的四连杆机械机构进行运动分析,得出四连杆后臂下轴电位计输出信号与膝关节弯曲角度的对应关系,同时,选取合适的霍尔传感器安装位置,解决了其中存在的双值问题.设计了传感器输出信号采集实验,通过跑步机速度调节来保证步行速度安全可控,测量不同步速下脚尖离地时刻膝关节弯曲角度,分析采集结果找到了它们之间的对应关系.结果与结论:脚尖离地时刻膝关节弯曲角度随着步行速度增大而增大,采用二次曲线拟合取得了较好效果.实验结果显示,水平步行状态下,采用电位计和霍尔传感器作为检测手段能够检测下肢假肢的步速,也能区分支撑期和摆动期.     

基于模糊控制的智能下肢假肢的步速调整

背景:传统下肢假肢只允许以一种速度行走,不能随步行状态的改变而改变,使得步速也固定单一,不能适应不同步速的变化,适应性较差。目的:采用模糊控制方法实现假肢的步速跟随。方法:通过脚底压力传感器采集步态周期信息,根据不同开度下周期的不同变化采用模糊控制的方法来调整针阀开度的大小,通过永磁式直线步进电机作为执行器驱动针阀来控制缓冲气缸腔室间气道有效截面积来调整假肢摆动速度。结果与结论:在步行速度变化时,假肢膝关节角度有所变化,但是角度变化不大。最大值不超过80°。假肢步态变化小于11°,截肢者能够适应不同的步行速度,假肢与健肢的步态变化基本一致,对称性指数在90%以上。实验结果表明,步态周期可以通过控制针阀达到调整步速的目的,步速调整的模糊控制方法是可行的。     

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。     

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。     

假肢膝关节电控液压阻尼缸设计

目的:设计一种用于智能假肢膝关节关键部件的电控液压阻尼缸.方法:该阻尼缸根据液压流体特性和加工工艺设计,通过采用了一种新型微结构数字节流阀以及独特的双活塞液压缸结构,可以实现膝关节伸展与屈曲的双向自动控制,从而使改善假腿步态的对称性.最后,通过自制的专用实验装置对其进行了阻尼缸动力学性能测试.测试时通过微机控制膝关节阻尼缸中的两个气体流量调节针阀,模拟实际IPL控制时对膝关节阻尼力的控制.在模拟不同人体髋关节摆动驱动力和膝关节阻尼力的状态下,测量膝关节阻尼缸的运动速度,从而间接获得了假腿阻尼、惯性力与膝关节摆动速度之间的动力学关系.结果:阻尼缸在针阀开度增加时,在相同驱动力作用下,阻尼缸活塞运动时间减小,速度加快.但随着开度增加,运动速度对驱动力的敏感性降低.步进电机驱动相对应的针阀减小开度时,阻尼缸阻尼力增大,腿的平均摆动速度加快.结论:所设计的液压阻尼缸能够满足假肢膝关节的动力学控制要求.     

微电脑控制膝关节假肢

目前世界上约有膝上假肢（above—knee prostheses，AKP）膝关节100多种。下肢AKP的步态跟随是十分关键的，这是因为关节阻尼若不改变，将使AKP不能随着健肢的步速变化而变化，会导致步态不对称，使患者能量消耗增大，从而产生极大的不舒适感。传统的简单假肢多采用机械阻尼，其大小不能调整或不能随步速自动变化．因此假肢在步态摆动相的屈曲与伸展期的膝关节转动速度与健肢产生不对称，在站立相的稳定性也主要通过承重白锁或手动锁定机构来保证。上世纪70年代开始，随着计算机技术的发展，许多学者开始探索应用微机对假肢膝关节的运动进行自动控制，     

1例单侧大腿截肢者穿戴四种假肢膝关节步行能力的评价

目的比较1例单侧大腿截肢者穿戴四种不同假肢膝关节后的步行能力,为临床开具假肢处方提供参考。方法 1例单侧大腿截肢者分别穿戴机械四连杆、气压四连杆、液压单轴和智能假肢膝关节,穿戴智能日常活动能量消耗记录仪进行计时起立与行走测试、室内6分钟步行测试、静态站立平衡测试和室外1000 m步行测试。结果截肢者穿戴智能膝关节假肢比穿戴其他膝关节假肢在步行过程中能量消耗少,步行速度快。结论不同假肢膝关节对单侧大腿截肢者步行能力影响不同。     

基于人体步态的假肢膝关节运动控制方法研究

目的 提出一种针对所研发假肢膝关节的平地行走下的控制方法,使其能辅助膝关节截肢的患者以趋向于健康人的步态行走。 方法 在假肢膝关节上放置九轴惯性姿态传感器获取小腿倾斜角度,假肢连接管处放置压力传感器获取压力,组合两种信号判别步态相位。采用双直线电机分别控制相应针阀与单向阀配合的油路结构实现膝关节弯曲和伸展阻尼力矩的独立控制。通过直线电机推动针阀改变油路的通流面积,实现不同速度下膝关节阻尼力矩的控制。测试患者在跑步机上以2.0、3.6和4.2 km/h的步速行走,通过RealGait（三维步态与运动分析系统）记录数据。为降低绊倒风险,以摆动期最大膝关节屈曲角度65°为控制目标,允许误差为±5°。绝对对称性指标(ASI)＜10%为步态良好的评定指标。 结论 患者在不同步速的测试中,患者假肢膝关节屈曲最大角度均在62°左右, ASI分别为3%、6%、8.5%,均＜10%,步态对称性良好。大腿截肢患者表示身体负担有明显减轻。 结论 基于人体步态对液压假肢膝关节的阻尼进行实时控制的方法能够有效改善截肢患者的行走步态。     

膝上假肢的智能控制方法

目前国际上已开发出了多种商品化的液压／气压智能膝关节假肢产品，包括Otto Bock的C-LEG、Blatchford的IP、SmartIP、AdaptiveKnee、Nabco公司的NI—C411、德林公司的Auto-Pilot电子膝关节和Ossur公司的Smart Magnetix Knee等．其中NI-C411和Auto—Pilot膝关节是四连杆电子膝关节。综观这些最新的微电脑控制膝关节，大部分可以通过控制液压／气压缸同时控制摆动相的速度和支撑相的稳定性，此外还可以适应不同的环境自动调整行走模式，如下坡／楼梯、绊倒、坐下等。不过这些关节的速度大多只有有限的几种，不能随意适应任意步速的变化。有些假肢关节还能模拟人体站立相的屈曲功能．如德林Auto—Pilot和Blatchford的AdaptiveKnee就可以在支撑相前期产生一定的弯曲，以缓冲腿的步行冲击。     

智能假腿膝关节的控制方法研究及发展趋势

<正>下肢假肢是下肢截肢患者用于支撑体重、代偿运动功能、恢复日常生活和工作的特殊器具~[1]。1986年中川昭夫等提出了基于微处理器的控制气动式摆动相的膝关节,并公开了这个技术。1990年英国布莱切福特公司获得了此项技术的许可,研制出来世界上第一款智能假肢:IP,这种膝关节使用了微处理器芯片以及传感器对步行进行控制~[2]。最初关节内置微处理器能控制步行周期中的支撑相或者摆动相关节阻尼,之后随着研发的进行,膝关节更加的智能,截肢者能以     

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。     

人工智能假肢

智能假肢能够根据外界条件变化和工作要求,自动调整系统参数,比普通假肢具有更好的仿生性和适应性。上肢假肢的智能主要体现在假手抓持物体时对物体形状和力的自适应控制能力;下肢假肢的智能主要体现在膝关节力矩控制和对外界冲击及时反应等能力。     

带锚钉悬吊系统人工肌肉假体置入后的下肢增粗

背景:假体置入已成为下肢增粗的一个治疗方法,但是置入的假体由于运动和重力原因,发生撕裂、移位的可能性很大,假体置入肢体增粗尚需完善.目的:回顾性分析假体置入隆臀、下肢增粗1例.方法:39岁男性患者,因脊髓灰质炎后遗症致左下肢肌肉萎缩来院要求假体置入治疗.采用自行设计带Mitek GⅡ锚钉悬吊系统的人工肌肉假体置入进行下肢增粗治疗.结果与结论:患者经假体置入后,不仅双下肢不对称得到基本纠正,而且锚钉悬吊系统的引入很好地解决了假体移位的问题.     

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。     

带锚钉悬吊系统人工肌肉假体置入后的下肢增粗

背景：假体置入已成为下肢增粗的一个治疗方法,但是置入的假体由于运动和重力原因,发生撕裂、移位的可能性很大,假体置入肢体增粗尚需完善。目的：回顾性分析假体置入隆臀、下肢增粗1例。方法：39岁男性患者,因脊髓灰质炎后遗症致左下肢肌肉萎缩来院要求假体置入治疗。采用自行设计带MitekGⅡ锚钉悬吊系统的人工肌肉假体置入进行下肢增粗治疗。结果与结论：患者经假体置入后,不仅双下肢不对称得到基本纠正,而且锚钉悬吊系统的引入很好地解决了假体移位的问题。     

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。     

小腿截肢残端假体的实验研究

目的：利用残端假体增加下肢截肢后骨残端的横截面积，降低负重时截肢残端皮肤单位面积上的压强，减少由于穿戴假肢所引起的并发症。重建离断肌肉的下位附着点，使之保持肌肉的合适初长和原有肌力，并维持肌力平衡，防止关节挛缩畸形，以保持截肢平面上位关节的正常活动，提高截肢肢体穿戴假肢后的功能。方法：山羊10只，随机分为2组，左小腿膝下截肢后，分为对照组和假体放置组。假体采用超高分子聚乙烯材料制成，呈蘑菇状外观。术后穿戴假肢开始负重。观察站立和行走的时间，残端皮肤情况，并进行骨残端组织学检查。结果：假体放置组羊能在截肢术后较早穿戴假肢，负重站立和行走，无残端皮肤溃疡。假体与残端骨接合紧密，肌腱与假体连接良好，坚固。未发现任何假体放置后的不良反应和并发症。结论：截肢后骨残端安放假体能明显增加骨残端横截面积，很好保持残肢末端的圆锥形，加之假体材料的缓冲作用，明显减少截肢骨残端与假肢接受腔间软组织单位面积上的压强，使之能较早安装假肢，减少穿戴假肢所引起的并发症。增加假肢穿戴后的肢体功能。     

Performance of persons with juvenile-onset amputation in driving motor vehicles

OBJECTIVE: To study the driving of motor vehicles by persons with juvenile-onset amputation and to compare the percentage of drivers among them with that found in the general population. DESIGN: A follow-up study of subjects who were younger than 18 years of age at amputation and who underwent one-sided amputation, covering the period 1976 to 1996. SETTING: The Prosthesis Service of the Asturias Central Hospital, Spain. SUBJECTS: A total of 236 juvenile amputee patients. RESULTS: The percentage of women with amputations who drive is lower than that of their male counterparts (p<.05). The percentage of drivers with upper limb amputations is greater than that of drivers with amputation of the lower limb (p<.05). Motor vehicle adaptations were used more frequently by people with upper limb amputations (p<.05). The ability to drive was not affected by the etiology or the side of amputation, or by the use of a prosthesis. The level of amputation affected driving ability in cases of amputation of the lower limb, but not in those of amputation of the upper limb. CONCLUSION: The percentage of persons with juvenile-onset amputation who drive (47.4%) is similar to that found in the general population (40.8%), and the use of a prosthesis does not have any influence on the capacity to drive a car--89.2% of drivers and 93.5% of nondrivers used a prosthesis.