假肢對(duì)線對(duì)下肢生物力學(xué)特性的影響

假肢對(duì)線對(duì)下肢生物力學(xué)特性的影響

在制作和安裝假下肢時(shí)，需要通過靜態(tài)和動(dòng)態(tài)線確定接受腔、腳管和假腳之間的相對(duì)位置關(guān)系。該過程決定了患者穿戴假肢的舒適度、步態(tài)及能耗,主要通過假肢技師手工調(diào)整,依賴于技師經(jīng)驗(yàn)和患者反饋,非常耗時(shí),且缺乏客觀評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。許多學(xué)者試圖從生物力學(xué)角度尋找科學(xué)的對(duì)線準(zhǔn)則,研究了假肢對(duì)線對(duì)步態(tài)、站立相時(shí)間及能耗的影響。這些研究主要集中于行走過程中的運(yùn)動(dòng)特性,但運(yùn)動(dòng)特性主要反映患者穿戴假肢后外觀的恢復(fù)程度,而舒適性和能耗主要取決于力學(xué)特性。直接測量關(guān)節(jié)力和力矩很困難,因此需借助于理論分析。本文建立考慮對(duì)線設(shè)置的殘側(cè)小腿三維剛體動(dòng)力學(xué)模型,結(jié)合步態(tài)實(shí)驗(yàn),研究腿管遠(yuǎn)近兩端適配器在矢狀面和額狀面的對(duì)線設(shè)置對(duì)患者下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)特性,步態(tài)對(duì)稱性和殘端壓力的綜合影響。1維動(dòng)力學(xué)方程患者穿戴假肢時(shí)殘側(cè)小腿三維剛體動(dòng)力學(xué)模型見圖1,步行方向?yàn)閥方向,腿內(nèi)側(cè)方向?yàn)閤方向,豎直向上為z方向。接受腔與殘肢簡化為剛性連接,無相對(duì)滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。小腿(小腿殘肢和假肢)質(zhì)心為C,矢狀面內(nèi)質(zhì)心運(yùn)動(dòng)位移為yc和zc;額狀面運(yùn)動(dòng)量很小,可忽略;殘側(cè)站立相地面反力為Fgx、Fgy和Fgz,擺動(dòng)相地面反力為0;膝關(guān)節(jié)處肌群和韌帶的主動(dòng)力和力矩分別等效為Nkx、Nky、Nkz以及Mkx、Mky和Mkz。力的方向與坐標(biāo)軸方向一致時(shí)為正,力矩使小腿伸展、外展或外旋時(shí)定義為正。小腿在膝關(guān)節(jié)處與垂直方向的夾角為θ。Φss和Φfs分別為矢狀面內(nèi)腿管近端和遠(yuǎn)端的對(duì)線角度,腿管內(nèi)收、腳背屈為正;Ψsf和Ψff為對(duì)應(yīng)的額狀面的對(duì)線角,腿管內(nèi)收、腳內(nèi)翻為正。γ為前進(jìn)方向與假腳中線的夾角,即水平面內(nèi)對(duì)線角。三維動(dòng)力學(xué)方程為:Fgy+Nky=my??c,Fgz+Nkz?mg=mz??c,Fgy+Νky=my??c,Fgz+Νkz-mg=mz??c,Iθ??=FgyDyx+FgzDzx+my??clcy+mz??clcz?mglcz+Mkx,Fgx+Nkx=0,?Mky+FgxDxy+FgzDzy=0,Mkz+FgyDyz+FgxDxz=0.(1)Ιθ??=FgyDyx+FgzDzx+my??clcy+mz??clcz-mglcz+Μkx,Fgx+Νkx=0,-Μky+FgxDxy+FgzDzy=0,Μkz+FgyDyz+FgxDxz=0.(1)式中:I為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,Dij是地面反力Fgi到膝關(guān)節(jié)中心j軸的力臂(i,j=x,y,z),m是殘肢與假肢的質(zhì)量總和,lcy和lcz是小腿質(zhì)心到膝關(guān)節(jié)中心的力臂。式(1)中所需地面反力和下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)通過步態(tài)實(shí)驗(yàn)測量而得。2正常對(duì)線—患者步態(tài)實(shí)驗(yàn)步態(tài)分析采用瑞典QTM系統(tǒng),選擇患者左右側(cè)踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和大轉(zhuǎn)子等解剖位置為運(yùn)動(dòng)標(biāo)志點(diǎn)以確定下肢矢狀面運(yùn)動(dòng)規(guī)律;用美國ATMI力臺(tái)同步采集雙側(cè)三維足底地面反力;殘肢與接受腔界面壓力用德國Novel系統(tǒng)測量。先由經(jīng)驗(yàn)豐富的技師根據(jù)患者個(gè)體特性將4個(gè)對(duì)線角調(diào)整到患者滿意的最佳狀態(tài),此時(shí)稱“正常對(duì)線”狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)中,每次只改變?nèi)我皇笭蠲婊蝾~狀面內(nèi)的對(duì)線角度,其余對(duì)線角均保持正常對(duì)線狀態(tài)。本文中γ不變。以一位25歲男性左側(cè)小腿截肢者為例進(jìn)行討論。該志愿者身高170cm,體重57kg,已有5年以上使用PTB接受腔組件式小腿假肢的經(jīng)驗(yàn);身體健康,無其他神經(jīng)、骨骼和肌肉病史及殘肢并發(fā)癥。選取代表下肢運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)特性的3個(gè)參數(shù)討論假肢對(duì)線設(shè)置的綜合影響:以膝關(guān)節(jié)力矩反映膝關(guān)節(jié)的活動(dòng)能力和消耗,以步態(tài)對(duì)稱性表示步行外觀恢復(fù)程度,以殘端壓力反映穿戴假肢的舒適程度。2.1眼底合力作用以改變?chǔ)祍s為例,圖2給出1個(gè)步態(tài)周期T內(nèi)殘側(cè)矢狀面膝關(guān)節(jié)力矩變化規(guī)律。可見,對(duì)線設(shè)置的調(diào)整不僅影響力矩峰值,還改變了峰值出現(xiàn)的時(shí)間。由式(1)知,Mkx主要代表膝關(guān)節(jié)的活動(dòng)特性及穩(wěn)定性,究其變化的原因,除了假肢重力和慣性力起較小作用外,主要取決于地面反力Fgy和Fgz以及對(duì)應(yīng)的腳底合力作用點(diǎn)到膝關(guān)節(jié)的力臂Dyx和Dzx。從步態(tài)分析數(shù)據(jù)可知,Fgz及Dyx受對(duì)線影響很小,可忽略。但Φss從負(fù)到正增大時(shí),Dzx隨之增大,導(dǎo)致Mkx峰值出現(xiàn)的時(shí)間滯后;同時(shí)Fgy作用方向由后向前轉(zhuǎn)化的時(shí)間也隨之推延,使Mkx峰值略有減小。為定量描述對(duì)線調(diào)整對(duì)殘側(cè)膝關(guān)節(jié)力矩的影響,定義對(duì)線影響因子為δj=(Mij?M0j)/M0j.(2)δj=(Μij-Μ0j)/Μ0j.(2)式中:j=x,y,z;M0j是正常對(duì)線時(shí)殘側(cè)膝關(guān)節(jié)繞j軸的最大力矩;Mij是改變某一對(duì)線角時(shí)繞j軸的膝關(guān)節(jié)最大力矩。從表1可見,調(diào)節(jié)腿管遠(yuǎn)近兩端適配器的對(duì)線角度對(duì)殘側(cè)膝關(guān)節(jié)力矩的影響效果不同?？傮w看,近端適配器的調(diào)整對(duì)殘側(cè)各方向的關(guān)節(jié)力矩影響都較大。由于此處不同對(duì)線角的設(shè)置改變了接受腔的空間方位,直接影響接受腔與殘肢的適配性,患者為了緩解疼痛感,在行走過程中自發(fā)地改變步態(tài),同時(shí)對(duì)線還引起地面反力力臂變化,導(dǎo)致殘側(cè)膝關(guān)節(jié)力矩變化普遍較大。2.2不同對(duì)線狀態(tài)下患者的姿態(tài)變化本文采用式(3)定義的時(shí)相對(duì)稱性指數(shù)Ips來研究假肢對(duì)線與患者步態(tài)對(duì)稱性的關(guān)系。Ips=T0/T?????√(0.62Zr+0.38Mr).(3)Ιps=Τ0/Τ(0.62Ζr+0.38Μr).(3)其中:T為步態(tài)周期,T0為患者在正常對(duì)線狀態(tài)下的步態(tài)周期,Zr為兩側(cè)站立相時(shí)間中的較小值和較大值的比值,Mr為兩側(cè)擺動(dòng)相時(shí)間中的較小值和較大值的比值。表2表明:正常對(duì)線狀態(tài)下患者步態(tài)表現(xiàn)出最高的對(duì)稱性,而異常對(duì)線調(diào)整使Ips下降,且腿管近端對(duì)線調(diào)整較遠(yuǎn)端對(duì)線調(diào)整的影響大,這與對(duì)殘側(cè)膝關(guān)節(jié)力矩的影響規(guī)律一致?；颊咴谡{(diào)整步態(tài)時(shí),健側(cè)站立相延長,擺動(dòng)相變短,在行走過程發(fā)揮更大作用,加大了左右兩側(cè)步態(tài)的差異。2.3壓力對(duì)線角度的影響殘端與接受腔之間的壓力過大直接導(dǎo)致患者步態(tài)異常,也嚴(yán)重影響患者的康復(fù)。因肢體殘端的軟組織不適合承重,長時(shí)間受壓或短時(shí)的過大應(yīng)力都會(huì)導(dǎo)致殘端軟組織的損壞,甚至引起殘端并發(fā)癥。圖3給出1個(gè)步態(tài)周期內(nèi)殘端4個(gè)主要承重區(qū)(髕韌帶區(qū)PT、脛骨外側(cè)區(qū)LT、月國窩區(qū)PD和脛骨內(nèi)側(cè)區(qū)MT)與1個(gè)壓力敏感區(qū)(脛骨前側(cè)遠(yuǎn)端KP)的最大壓力隨對(duì)線的變化情況,圖中編號(hào)即表2中的實(shí)驗(yàn)組編號(hào)?？梢?對(duì)線角度改變幾乎不影響4個(gè)承力區(qū)的壓力,這與2.1節(jié)的結(jié)論相同,由于患者自發(fā)調(diào)節(jié),使得即使在異常對(duì)線情況下,殘端壓力仍維持在保持患者舒適的范圍;但KP區(qū)的壓力受對(duì)線角變化影響非常明顯,遠(yuǎn)近兩端適配器在屈膝和外展方向的調(diào)整都使KP區(qū)壓力明顯增大,反之變小。另外,比較正常對(duì)線和異常對(duì)線情況下的各區(qū)壓力可發(fā)現(xiàn),正常對(duì)線時(shí)壓力并非最小值。這符合文的觀點(diǎn),正常對(duì)線時(shí),患者的下肢生物力學(xué)特性應(yīng)該是總體達(dá)到最優(yōu),膝關(guān)節(jié)力矩、步態(tài)對(duì)稱性和殘端壓力分布三者之間相互制約,在患者自身調(diào)節(jié)下達(dá)到總體性的舒適和節(jié)能效