基于傳感器的下肢假肢裝配技術(shù)

基于傳感器的下肢假肢裝配技術(shù)

安裝假肢是患者恢復(fù)活動(dòng)能力和外觀的主要康復(fù)手段。假肢的性能直接影響患者的康復(fù)水平。在下肢假肢制作及裝配過程中,需要通過工作臺(tái)對(duì)線、靜態(tài)對(duì)線和動(dòng)態(tài)對(duì)線確定接受腔與功能部件之間的空間相對(duì)位置關(guān)系。對(duì)線不僅影響假肢舒適性和安全性,而且和患者的站立姿勢(shì)、步態(tài)、能耗等都有著直接的關(guān)系。目前的對(duì)線方法主要依靠技師的反復(fù)調(diào)整和患者自我感覺反饋,不僅耗時(shí)、耗力,而且過于依賴技師的經(jīng)驗(yàn)。站立是人的一種主要活動(dòng)狀態(tài),踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)是下肢的重要活動(dòng)關(guān)節(jié),因此研究站立狀態(tài)下肢假肢對(duì)線對(duì)下肢的受力影響,是從生物力學(xué)角度尋找最優(yōu)對(duì)線的重要基礎(chǔ)。1重力線的激光對(duì)線儀法現(xiàn)有的假肢對(duì)線工具主要有測(cè)量長(zhǎng)度和高度的游標(biāo)卡尺、鋼板尺和直尺;判定患者骨盆水平、等高的水平尺;用來確定相互垂直的兩個(gè)空間面位置關(guān)系的三維對(duì)線架;利用重錘確定人體軀干重力線的吊線錘;利用激光亮度高、定向發(fā)光的特性制作而成激光對(duì)線儀;將承重傳感器與激光結(jié)合起來的承重激光對(duì)線儀。這些設(shè)備均為被動(dòng)地測(cè)量患者穿戴假肢的狀態(tài),可視化比較差,無法形象地顯示人體重心相對(duì)于假肢的位置,需要假肢技師依據(jù)自己的臨床經(jīng)驗(yàn),綜合這些工具給出的測(cè)量結(jié)果,并根據(jù)相應(yīng)的生物力學(xué)原理來評(píng)估患者穿戴假肢的感覺,判斷假肢組件應(yīng)向哪個(gè)方向調(diào)整,評(píng)估患者穿戴假肢的平衡性。如果對(duì)線沒有優(yōu)化,患者的殘肢皮膚最終將產(chǎn)生不適、擦傷、破裂、疼痛,可能會(huì)造成感染,殘肢活動(dòng)水平下降。2棱錐檢測(cè)及假證調(diào)節(jié)下一代的假肢技術(shù)將包括信息收集、通訊和基于患者數(shù)據(jù)分析的評(píng)估。它們將用于衡量患者效果和臨床服務(wù)。因此越來越多的假肢產(chǎn)品在生物力學(xué)領(lǐng)域整合了微電子技術(shù),使用軟件和通訊建立了各種假肢臨床裝配智能評(píng)估技術(shù)平臺(tái)。2009年,美國(guó)研制出一種新的下肢假肢智能對(duì)線調(diào)節(jié)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由內(nèi)置力傳感器的智能四棱錐、藍(lán)牙激光接收器、計(jì)算機(jī)和專用軟件組成。使用時(shí),裝有傳感器的四棱錐固定在接受腔底部,藍(lán)牙激光接收器安裝在四棱臺(tái)上?；颊叽┲僦凶邥r(shí),四棱錐中的傳感器測(cè)量四棱錐凸臺(tái)上螺絲受到的壓力;接收器將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存起來,供計(jì)算機(jī)后續(xù)分析使用。它也可將數(shù)據(jù)通過無線傳輸即時(shí)傳遞給計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)調(diào)用事先錄入的接受腔與地面距離數(shù)據(jù),對(duì)傳感器實(shí)測(cè)的受力按照一定的算法進(jìn)行計(jì)算,實(shí)時(shí)計(jì)算假腳在各個(gè)方向上的力矩,即背屈力矩、跖屈力矩、內(nèi)翻力矩和外翻力矩。通過假腳的力矩分析,繪制該假肢在步態(tài)周期中的假腳所受力矩?cái)?shù)值,并給出相應(yīng)的參考力矩曲線帶。通過比較患者實(shí)際假腳力矩曲線和參考力矩曲線的差異,假肢技師可以直接判斷假腳或者接受腔的傾斜角度和平移方位。該軟件還能自動(dòng)分析,直接給出四棱錐調(diào)節(jié)系統(tǒng)螺絲的調(diào)節(jié)建議,假肢裝配人員可依據(jù)該建議直接進(jìn)行調(diào)整,使患者穿著假肢達(dá)到最佳對(duì)線狀態(tài)。這種新的診斷技術(shù)直觀性強(qiáng),直接針對(duì)接受腔與假腳的受力進(jìn)行調(diào)整,并給出具體的調(diào)整建議。該假肢對(duì)線量化技術(shù)使假肢異常步態(tài)的調(diào)節(jié)與評(píng)估更加快捷有效,不依賴于假肢技師的經(jīng)驗(yàn)。其特點(diǎn)有:(1)精確的對(duì)線,能夠測(cè)量每個(gè)假肢的實(shí)時(shí)步態(tài)數(shù)據(jù),優(yōu)化假肢對(duì)線;(2)智能化,步態(tài)分析軟件能夠自動(dòng)擴(kuò)展和整合步態(tài)參數(shù),提供假肢步態(tài)分析的動(dòng)力學(xué)測(cè)量;(3)使用簡(jiǎn)單,系統(tǒng)的智能四棱錐和假肢四孔陰連接盤或陽(yáng)連接盤大小相同,可直接安裝在接受腔底端;(4)量化評(píng)估,系統(tǒng)能夠精確地顯示假肢的生物力學(xué)改變,避免假肢技師消耗大量的時(shí)間分析各種假設(shè)上的對(duì)線改變;(5)標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)線,系統(tǒng)自動(dòng)提供體重、假肢承受的體重、矢狀面和額狀面力矩、站立時(shí)間、擺動(dòng)時(shí)間、步頻、壓力中心前進(jìn)方向等主要假肢對(duì)線量化指標(biāo)。3下肢假肢的智能線系統(tǒng)的應(yīng)用3.1根據(jù)對(duì)比,智能兩棱臺(tái)自動(dòng)診斷,在半數(shù)下肢假肢智能對(duì)線調(diào)節(jié)系統(tǒng)的體重分散圖主要提供三個(gè)主要功能:(1)動(dòng)態(tài)顯示假肢和健側(cè)腿的重量對(duì)比;(2)利用即時(shí)的圖示反饋,使假肢技師更好地與患者就肢體承重問題進(jìn)行溝通;(3)通過可視化體重比例顯示使患者更快地提高肢體均勻承重能力。對(duì)于很多截肢患者,尤其是最近截肢、殘肢有疼痛或神經(jīng)疾患的截肢者,因患者的感覺和接受腔體重分散受力的認(rèn)識(shí)有限,假肢技師很難了解殘肢是否均勻承重。站立圖在站立畫面中顯示兩個(gè)體重分布柱狀圖,一個(gè)柱狀圖為“假肢側(cè)”動(dòng)態(tài)受力狀態(tài),另一個(gè)柱狀圖代表著健側(cè)腿。通過這一信息,智能四棱臺(tái)自動(dòng)診斷假肢接受腔受力狀態(tài);患者通過原始柱狀圖作為視覺反饋,調(diào)整轉(zhuǎn)換站立期雙腿負(fù)重,能幫助他們快速掌握如何使用假肢均勻承受體重。3.2滾動(dòng)軸承中足確立矯正責(zé)任意識(shí),調(diào)整整體結(jié)構(gòu)當(dāng)假腳過度跖屈時(shí),軟件常過早顯示從足跟到足趾的受力。圖1為軟件采集截肢患者步行參數(shù),較寬的曲線帶為下肢截肢患者正常步態(tài)假腳力矩,較細(xì)的多條曲線為患者實(shí)際行走力矩曲線,圓圈提示出患者實(shí)際曲線與參考曲線差異較大的區(qū)間。圖中上面的曲線顯示的是假腳跖屈和背屈力矩,下面的曲線顯示的是假腳內(nèi)側(cè)和外側(cè)的力矩。足跟承重和足趾承重之間過渡期應(yīng)該處于站立期的35%左右。早期過度的前足力矩,使身體的重心向前移動(dòng)緩慢,使步態(tài)缺乏效率。在步態(tài)周期的站立期有三個(gè)滾動(dòng)環(huán)節(jié):足跟滾動(dòng)、踝關(guān)節(jié)滾動(dòng)、前足滾動(dòng)。在假肢對(duì)線中,足跟滾動(dòng)對(duì)足的前后位置影響最大,踝關(guān)節(jié)滾動(dòng)對(duì)足的跖屈和背屈影響最大,前足滾動(dòng)對(duì)假腳龍骨的狀態(tài)有很大的影響。根據(jù)系統(tǒng)提示對(duì)智能四棱臺(tái)近端進(jìn)行對(duì)線調(diào)節(jié),改變圖1中足跟受力到足趾受力的過渡時(shí)間和量級(jí)。如果調(diào)整足部踝關(guān)節(jié)處的四鄰臺(tái),在站立中期從足跟受力到足趾受力的斜坡力線將會(huì)受到更大的影響。3.3假肢體對(duì)線對(duì)膝關(guān)節(jié)力學(xué)性能的影響如圖2圓圈所示,假腳的內(nèi)外側(cè)力矩出現(xiàn)問題,假腳位置偏外,導(dǎo)致足部外翻(X型腿)。一般這種細(xì)微的錯(cuò)誤對(duì)線,肉眼無法觀察,只能通過系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)識(shí)別。按照系統(tǒng)建議改變假肢對(duì)線后,患者立即感覺到穩(wěn)定的步態(tài)和較強(qiáng)的步行信心。膝關(guān)節(jié)肌肉控制膝關(guān)節(jié)前后力矩比內(nèi)外力矩要大很多,因此錯(cuò)誤的內(nèi)外力矩將會(huì)在系統(tǒng)內(nèi)外力矩圖上產(chǎn)生巨大的效應(yīng)。內(nèi)外對(duì)線非常小的改變都能很快改變假腳內(nèi)翻和外翻力矩。圖片引自北京瑞哈國(guó)際假肢矯形器貿(mào)易有限公司獨(dú)家代理的美國(guó)OrthocareInnovation公司Compas系統(tǒng)產(chǎn)品說明書,并得到公司授權(quán)4動(dòng)態(tài)對(duì)線時(shí)嘴唇觀察、經(jīng)驗(yàn)判斷階段現(xiàn)在針對(duì)假肢接受腔的適配,已經(jīng)廣泛采用壓力分布測(cè)量系統(tǒng)測(cè)試假肢接受腔與殘肢之間的壓力,但是針對(duì)假肢對(duì)線的診斷依然停留在原始的肉眼觀察、經(jīng)驗(yàn)判斷階段。當(dāng)肉眼調(diào)整人體動(dòng)態(tài)對(duì)線時(shí),走動(dòng)過程中難以觀察到