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。     

膝上截肢患者穿戴假肢后的功能评定

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。提示骨科医师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偿功能总优良率达76.6％。     

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。     

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。     

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。     

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。     

双小腿截肢者假肢辅助下行走能力的评价

目的比较双小腿截肢者穿戴假肢的行走能力与正常人的差别,制定双小腿截肢者穿戴假肢行走能力参考指标。方法选择11 例双小腿截肢者作为截肢组,12 名健康成年人作为对照组,分别进行室内步态分析测试、室外行走1 km所用时间及能量消耗测试、静态站立平衡能力测试。结果室内步态分析测试中,截肢组自我感觉最舒适平均速度为1.07 m/s,对照组为1.29m/s。当受试者以自我感觉最舒适的速度行走时,截肢组部分步态时空参数与对照组存在显著性差异(P<0.05);室外行走1 km所用时间及能量消耗与对照组存在显著性差异(P<0.05);静态站立平衡与对照组比较无显著性差异(P>0.05)。结论双小腿截肢者与正常人的行走能力存在差异,对截肢者行走能力定量的评价能够为截肢者的康复提供更准确的参考。     

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     

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。     

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。     

Quantitative analysis of gait in the visually impaired

In this comparative study concerning characteristics of independent walking by visually impaired persons, we used a motion analyser system to perform gait analysis of 15 late blind (age 36–54, mean 44–3 years), 15 congenitally blind (age 39–48, mean 43–8 years) and 15 sighted persons (age 40–50, mean 44–4 years) while walking a 10-m walkway. All subjects were male. Compared to the sighted, late blind and congenitally blind persons had a significantly slower walking speed, shorter stride length and longer time in the stance phase of gait. However, the relationships between gait parameters in the late and congenitally blind groups were maintained, as in the sighted group. In addition, the gait of the late blind showed a tendency to approximate the gait patterns of the congenitally blind as the duration of visual loss progressed. Based on these results we concluded that the gait of visually impaired persons, through its active use of non-visual sensory input, represents an attempt to adapt to various environmental conditions in order to maintain a more stable posture and to effect safe walking.     

正常青年人步态运动学参数的研究

目的：取得健康青年人步态的基本模式。方法：以28例健康青年男女为研究对象，采用基于数字视频和数字图像处理的运动分析系统测得人体步态的运动学参数。结果：得到了正常青年人的步态运动学参数的平均值和标准差，并且比较了男女之间步态的差异，分析了步态参数与身高、体重的相关性。结论：两性之间大多数步态参数的数值存在显著性差异。并且，除了个别参数之外，这种两性之间的步态参数的差异并不是仅由身高的差异所引起的。     

虚拟现实与同步减重训练对脑卒中患者步态影响的对照研究

目的:评估虚拟现实与同步减重步态训练(VR+BWSTT)对脑卒中患者步态的影响。方法:将12例发病3个月内的脑卒中患者随机分配至实验组(VR+BWSTT)和常规组(常规物理治疗)各6例,另6例正常人作为正常组。训练前后以三维步态分析对以下参数进行对比:步行速度、步长不对称性、单腿支撑时间不对称性、髋关节最大后伸角度、髋关节最大屈曲角度、膝关节最大屈曲角度、支撑相膝关节最大伸展角度、支撑相踝关节最大背伸角度。结果:训练前两组脑卒中患者的性别、年龄、病程、脑卒中性质、偏瘫侧、患侧下肢肌力、肌张力、步行速度、步长不对称性、单腿支撑时间不对称性及患侧下肢各关节角度差异无显著性。脑卒中患者步行速度、髋关节最大后伸角度、膝关节最大屈曲角度低于正常组,步长不对称性、单腿支撑时间不对称性高于正常组(P<0.05)。训练后两组患者的步行速度、单腿支撑时间不对称性均有改善,实验组的步长不对称性、髋关节最大后伸角度有改善(P<0.05)。结论:VR与同步BWSTT可改善亚急性期脑卒中患者的步态,在改善脑卒中的步长不对称性、髋关节最大后伸角度方面较常规物理治疗有优势。     

行走功能定量评定方法研究

用VICON三维运动分析系统,对161人进行步态检查。在所得原始数据、曲线的基础上,结合临床从行走时相对称、垂直分力对称性、行走中站立平衡功能、行走制动功能及驱动功能5个方面,以隶属函数的形式,提出5个相应的的经验公式。用此可对“三瘫一截”（脑瘫、截瘫、偏瘫、截肢）患者的行走功能进行评定。结果证明,本研究所提出的定量评定方法,能明显地区分出各类残疾群体与健全群体的差异程度。并讨论了适用范围。     

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。     

The potential for non-invasive brain stimulation to improve function after amputation

Purpose: Lower limb amputee rehabilitation has traditionally focussed on restoration of gait and balance through use of prosthetic limbs and mobility aids. Despite these efforts, some amputees continue to experience difficulties with mastering prosthetic mobility. Emerging techniques in rehabilitation, such as non-invasive brain stimulation (NIBS), may be an appropriate tool to enhance prosthetic rehabilitation outcomes by promoting “normal” brain reorganisation and function. The purpose of this review is to highlight the potential of NIBS to improve functional outcomes for lower limb amputees. Methods: To demonstrate the rationale for applying NIBS to amputees, this study will first review literature regarding human motor control of gait, followed by neurophysiological reorganisation of the motor system after amputation and the relationship between brain reorganisation and gait function. We will conclude by reviewing literature demonstrating application of NIBS to lower limb muscle representations and evidence supportive of subsequent functional improvements. Results: Imaging, brain stimulation and behavioural evidence indicate that the cortex contributes to locomotion in humans. Following amputation both hemispheres reorganise with evidence suggesting brain reorganisation is related to functional outcomes in amputees. Previous studies indicate that brain stimulation techniques can be used to selectively promote neuroplasticity of lower limb cortical representations with improvements in function.

Conclusions: We suggest NIBS has the potential to transform lower limb amputee rehabilitation and should be further investigated.

• Implications for Rehabilitation

• Despite extensive rehabilitation some amputees continue to experience difficulty with prosthetic mobility

• Brain reorganisation following amputation has been related to functional outcomes and may be an appropriate target for novel interventions

• Non-invasive brain stimulation is a promising tool which has potential to improve functional outcomes for lower limb amputees

     

脑卒中偏瘫患者康复治疗前后的三维步态分析

目的分析脑卒中偏瘫患者康复治疗前后的三维步态特点。方法采用三维步态分析仪对28 例脑卒中偏瘫患者6 周的常规康复训练前后分别进行三维步态分析检查。结果治疗后患侧下肢站立相百分比较前增加(P<0.05),摆动相百分比较前减少(P<0.05),较前接近正常值;患侧下肢的步长、跨步长,步速均较前增加(P<0.05);患者髋关节内收外展、屈曲伸展,膝关节屈曲伸展,踝关节内外旋转、内翻外翻、背屈跖屈均较前改善(P<0.05)。结论三维步态分析系统能定量地评价患者的步态情况,可作为康复疗效评定的指标之一。