大腿假肢接受腔的研究進(jìn)展

1、大腿假肢接受腔的研究進(jìn)展顏功興（重慶市中西醫(yī)結(jié)合康復(fù)醫(yī)院，重慶 400013） 假肢行業(yè)是為肢殘者生產(chǎn)裝配假肢、矯形器及康復(fù)器具的特殊產(chǎn)業(yè)。根據(jù)全國(guó)殘疾人抽樣調(diào)查的結(jié)果推斷，目前我國(guó)現(xiàn)有殘疾人約6000萬(wàn)，其中肢體殘疾人877萬(wàn)，這些肢體殘疾人需要裝配假肢或矯形器械，才能達(dá)到生活自理和從事適當(dāng)?shù)膭趧?dòng)，其中肢體殘疾人中至少有70萬(wàn)人需要安裝假肢，有數(shù)百萬(wàn)人需要矯形器和輔助器具。但據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，每年只有約5.7萬(wàn)人新裝或更換假肢，仍有70%以上的截肢患者沒(méi)有安裝假肢，這些沒(méi)有安裝假肢的患者主要是貧困地區(qū)和經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)的農(nóng)村1。 一、假肢接受腔及其分類(lèi)假肢接受腔是連接殘肢與假肢的腔體部件，包容殘肢，并與

2、殘肢直接接觸。接受腔作為人體和機(jī)械假肢接受腔的受力分析和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)之間生物力學(xué)的界面，是截肢者身體和假肢之間的直接聯(lián)結(jié)媒體，人體和假肢間的力都是在殘肢和接受腔的接觸面上傳遞的，因此，接受腔是假肢中最重要和最關(guān)鍵的部件5。 按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14722-1993，將接受腔分為骨盆包容式接受腔、四邊形接受腔和坐骨包容式接受腔。另外我國(guó)臺(tái)灣德林義肢公司采用的一種接受腔為五邊形接受腔，由于某種原因，關(guān)于這種接受腔的理論報(bào)道目前還很少，但從患者的使用情況看，舒適程度也較好。目前國(guó)內(nèi)、國(guó)際市場(chǎng)大多數(shù)系統(tǒng)選用的是四邊形接受腔或坐骨包容接受腔。 四邊形接受腔理論起源于20世紀(jì)50年代6，7，因外形近

3、似四邊形而得名。其橫截面形狀見(jiàn)圖1所示，四邊形接受腔理論是建立在大腿肌肉群的受力狀態(tài)與運(yùn)動(dòng)機(jī)能條件下，應(yīng)用生物力學(xué)對(duì)機(jī)能解剖學(xué)分析后設(shè)計(jì)出的接受腔形狀。在接受腔后側(cè)面的近身側(cè)邊緣處有一個(gè)與地面平行的寬約25mm的坐骨椅。人體的很大部分體重經(jīng)由坐骨結(jié)節(jié)傳遞到坐骨椅上，另外，臀肌也將垂直載荷傳遞到這一部位8。圖1 四邊形接受腔坐骨包容形(Ischial containment socket)接受腔起源于20世紀(jì)80年代9。從外形上看，這種接受腔采用的是橢圓形而不是四邊形外邊緣，接受腔沒(méi)有坐骨椅，其輪廓將坐骨結(jié)節(jié)包容在接受腔內(nèi)，因此這種接受腔也稱(chēng)為IC接受腔。坐骨包容接受腔的另一個(gè)重要特征是其內(nèi)外側(cè)

4、距離比四邊形接受腔窄得多，而且其邊緣與未經(jīng)壓縮的軟組織輪廓線接合的很好，但其制作思想與四邊形接受腔的生物力學(xué)原理并不沖突8，見(jiàn)圖2。圖 2 坐骨包容接受腔 從兩種接受腔的使用情況看，歐洲等一些西方國(guó)家的患者現(xiàn)在趨向于選擇坐骨包容形接受腔。我國(guó)由于假肢行業(yè)的起步較晚，而四邊形接受腔理論較為成熟，其結(jié)構(gòu)也比較適合亞洲人體形，目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多的還是四邊形接受腔。二、假肢接受腔研究的發(fā)展與現(xiàn)狀 一具假肢通常由三部分組成，即仿人體功能并能承載人體重量的支撐部件、仿人體外形的裝飾部件(以上部件可以按標(biāo)準(zhǔn)批量生產(chǎn))和假肢接受腔2。容納殘肢的接受腔是最關(guān)鍵的部件，起連接殘肢與支撐部件的作用，對(duì)有效的擴(kuò)展截肢者

5、的運(yùn)動(dòng)功能有著極其重要的作用。由于每個(gè)截肢者的殘肢形狀、肌力等條件均有不同，在假肢接受腔制作過(guò)程中，必須因人而異、因殘而異。手工制作假肢接受腔的工藝相當(dāng)復(fù)雜，假肢穿戴的舒適程度與制造者的經(jīng)驗(yàn)、手法、技巧等因素有關(guān)，有時(shí)一具假肢要做幾個(gè)甚至更多接受腔才能使患者滿意，這也是造成假肢價(jià)格昂貴的原因之一。由于肢殘患者穿戴假肢后會(huì)產(chǎn)生習(xí)慣性和依賴(lài)性，在更換假肢時(shí)希望原來(lái)的制作師給自己制作接受腔。如何能提高接受腔一次制作的成功率、保存并再現(xiàn)接受腔的完整數(shù)據(jù)，以備以后更換接受腔時(shí)參考，是假肢研究者尋求解決的共性問(wèn)題。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造(CAD/CAM)技術(shù)在20世紀(jì)80年代初開(kāi)始用于

6、假肢行業(yè)3。十幾年的發(fā)展，CAD/CAM在接受腔的設(shè)計(jì)和制造中有了很大的進(jìn)展。發(fā)達(dá)國(guó)家己于20世紀(jì)90年代進(jìn)入假肢、矯形器專(zhuān)用CAD/CAM的應(yīng)用階段。目前，德國(guó)、美國(guó)、加拿人、瑞典等國(guó)均有商業(yè)化系統(tǒng)出售，但其價(jià)格昂貴不符合我國(guó)國(guó)情4。為填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白，民政部假肢科學(xué)研究所和河北工業(yè)人學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)了假肢接受腔計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造系統(tǒng)，系統(tǒng)整體達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，并且已經(jīng)通過(guò)了國(guó)家鑒定?，F(xiàn)在己經(jīng)完成的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)部分己經(jīng)能夠根據(jù)測(cè)量的截肢者殘肢圍長(zhǎng)和截肢者身體狀況、年齡、職業(yè)等選擇接受腔的形狀，提供形狀修改的功能，但還不具備直接判斷接受腔形狀好壞的功能，即不能提供截肢者穿著接受腔的情況，不具備智能設(shè)

7、計(jì)。為了進(jìn)一步提高接受腔的一次制作成功率，需要在現(xiàn)有的CAD部分設(shè)計(jì)出接受腔形狀后，對(duì)接受腔的形狀進(jìn)行受力分析，對(duì)不符合受力分布要求的地方及時(shí)修改，使設(shè)計(jì)出的接受腔盡可能的接近病人穿戴舒適時(shí)的力學(xué)要求。目前國(guó)外在這方面的研究己有十幾年歷史，但還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)將受力分析應(yīng)用到CAD中的報(bào)道，其研究基本還處于實(shí)驗(yàn)室階段，是未來(lái)假肢行業(yè)研究的一個(gè)熱點(diǎn)，近年來(lái)一直受到眾多研究者的關(guān)注。三、假肢接受腔受力分析研究的意義 假肢接受腔起到連接人體和假肢的作用，良好的接收腔可以擴(kuò)展截肢者的運(yùn)動(dòng)、生活自理能力。但由于殘肢軟組織對(duì)外界應(yīng)力的容忍度有限，限制了假肢功能。事實(shí)上，殘肢周?chē)能浗M織不太適合承受載荷，局部載荷過(guò)

8、大將導(dǎo)致疼痛和皮膚擦傷。因此，在下肢假肢接受腔的設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)慕邮涨恍螤畛闪朔稚⑤d荷的關(guān)鍵部分。接受腔形狀并不是殘肢形狀的簡(jiǎn)單再現(xiàn)，而進(jìn)行了一定的改變，以便使力在接受腔和殘肢之間進(jìn)行有效的傳遞。接受腔形狀的改變應(yīng)考慮以下因素：殘肢形狀、軟組織的壓力容忍度、完成支撐和控制功能應(yīng)滿足的特殊生物力學(xué)要求等。當(dāng)前接受腔設(shè)計(jì)中，采用什么樣的接受腔形狀主要取決于設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)。要獲得一具滿意的接受腔只能采用不斷嘗試的方法。 在當(dāng)代假肢接受腔輔助設(shè)計(jì)與制造中融入了優(yōu)秀設(shè)計(jì)師的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。系統(tǒng)一般包括三部分：輪廓形狀的采集和數(shù)字化；根據(jù)殘肢的形狀來(lái)設(shè)計(jì)接受腔的形狀；將設(shè)計(jì)好的接受腔數(shù)據(jù)通過(guò)CAM系統(tǒng)制造出接受

9、腔陽(yáng)?！，F(xiàn)在CAD/CAM系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)從硬件角度已經(jīng)不存在問(wèn)題，系統(tǒng)要解決問(wèn)題的難點(diǎn)在于怎樣根據(jù)殘肢形狀獲得合適的接受腔形狀，即采用什么樣的接受腔才能有效分布載荷，傳遞運(yùn)動(dòng)，使病人感覺(jué)舒適。由于缺乏定量的評(píng)估方法，接受腔形狀的修改主要依據(jù)假肢制作師的土觀經(jīng)驗(yàn)和用戶(hù)的反饋信自、。 要改進(jìn)接受腔形狀設(shè)計(jì)，可以采取多種方法，但最基本的原則就是將小面積承載的集中載荷變成整個(gè)接受腔承載的分布載荷。進(jìn)行假肢接受腔受力分析的研究可以幫助設(shè)計(jì)師了解所設(shè)計(jì)的接收腔和產(chǎn)生的生物力學(xué)后果之間的關(guān)系，包括接受腔和殘肢之間的壓力分布，預(yù)估舒適程度，了解潛在的生物力學(xué)合理性，推動(dòng)假肢行業(yè)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步，因此具有十分重要的理

10、論意義和現(xiàn)實(shí)意義。四、目前假肢接受腔研究的熱點(diǎn) 在過(guò)去的幾年中，雖然下肢假肢接受腔技術(shù)有了很大發(fā)展，但相應(yīng)的生物力學(xué)基本原理，特別是殘端和接受腔之間相互作用的生物力學(xué)關(guān)系還沒(méi)有在量上被嚴(yán)格認(rèn)識(shí)。針對(duì)目前假肢接受腔輔助設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的不足，為了進(jìn)一步改進(jìn)接受腔的設(shè)計(jì)，提高制作成功率，現(xiàn)在的研究者們針對(duì)四邊形接受腔進(jìn)行了大量的受力分析的研究，研究?jī)?nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面：1分析假肢接受腔的設(shè)計(jì)理論。在人體運(yùn)動(dòng)學(xué)原理的基礎(chǔ)上，以四邊形接受腔為例介紹了接受腔的設(shè)計(jì)原理，并對(duì)步態(tài)周期不同階段殘肢和接受腔之間的受力情況進(jìn)行了分析。對(duì)假肢接受腔的設(shè)計(jì)理論進(jìn)行深入研究，對(duì)于分析大腿假肢接受腔的基本機(jī)能和設(shè)計(jì)原

11、理、接受腔各壁的特點(diǎn)、步態(tài)周期各階段殘肢各部分的受力情況等，都起到理論的指導(dǎo)。2.通過(guò)受力分析設(shè)備，對(duì)殘肢/接受腔界面的受力情況進(jìn)行實(shí)際測(cè)量。通過(guò)對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)的分析，總結(jié)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)步態(tài)周期各階段殘肢表面的受力情況，并將實(shí)際測(cè)量結(jié)果與理論分析進(jìn)行了比較。應(yīng)用先進(jìn)的受力分析儀對(duì)患者穿戴接受腔的情況進(jìn)行應(yīng)力測(cè)量。通過(guò)對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)的分析，研究在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種狀態(tài)下舒適穿戴接受腔時(shí)殘肢表面的受力情況以及動(dòng)態(tài)情況下前后側(cè)和左右側(cè)的穩(wěn)定性。3.對(duì)殘肢/接受腔系統(tǒng)進(jìn)行理論建模，通過(guò)對(duì)模型的分析，研究摩擦力在接受腔承載中的重要作用。 對(duì)殘肢/接受腔系統(tǒng)建立簡(jiǎn)化的理論模型，研究界面剛度、預(yù)應(yīng)力、止應(yīng)力和剪應(yīng)力的理論計(jì)

12、算方法。在計(jì)算殘肢表面所受正應(yīng)力和剪切力的情況下，論證摩擦力在支撐體重、緩解殘肢受力中發(fā)揮的重要作用，研究合適的摩擦系數(shù)以及材料的選擇對(duì)接受腔合理設(shè)計(jì)的重要性。4.假肢接受腔的有限元分析10。根據(jù)有限單元法的基本思想及其將其應(yīng)用到接受腔應(yīng)力分析中的優(yōu)點(diǎn)，分析假肢接受腔各部分參數(shù)的獲得方法及試驗(yàn)過(guò)程，并論證有限元分析的有效性及將其融入假肢接受腔CAD/CAM系統(tǒng)的意義。 從有限元原理，探討了進(jìn)行假肢接受腔有限元分析的可行性、復(fù)雜性、優(yōu)越性。應(yīng)用有限元分析軟件描繪殘肢表面以及內(nèi)部的受力情況。并將其融入接受腔的設(shè)計(jì)過(guò)程將大大提高設(shè)計(jì)成功率。因此該方法成為近年來(lái)國(guó)際上接受腔/殘肢系統(tǒng)受力分析的一個(gè)熱點(diǎn)

13、，是未來(lái)假肢行業(yè)的一個(gè)重要發(fā)展方向。參考文獻(xiàn)1張曉玉.下肢假肢北京：民政部假肢與矯形器制作師培訓(xùn)教材，1997年.2舊澤村誠(chéng)志.假肢學(xué).北京：中國(guó)社會(huì)出版社，1992年.236-2483張明.下肢假肢接受腔的CAD/CAM和有限元分析.全國(guó)第5屆殘疾人康復(fù)工程、全國(guó)第3 屆康復(fù)醫(yī)學(xué)工程學(xué)術(shù)研討會(huì)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.北京：1999年.45-474范愛(ài)紅，假肢接受腔計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)：碩士學(xué)位論文河北工業(yè)大學(xué)：河北工業(yè)大學(xué)研究生部，2001年5刁習(xí)建.氣壓式小腿接受腔的應(yīng)用分析.全國(guó)第5屆殘疾人康復(fù)!_程、全國(guó)第三屆康復(fù)醫(yī)學(xué)工程學(xué)術(shù)研討會(huì)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.北京：1999年.34-366Radcliffe,

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