基于运动学参数和足底压力测量的髋离断截肢者步态分析

目的探讨髋离断截肢者穿戴假肢的步态特征,并分析其与正常步态产生差异的原因,辅助临床的诊断评估。方法通过便携式人体运动捕捉设备和足底压力分析系统,采集5名髋离断截肢者运动学和足底压力信息,并与对照组15例健康志愿者比较,对比截肢者与正常人以及截肢者患侧与健侧之间的步态差异。结果截肢者双支撑期占比高于正常步态,截肢者患侧和健侧步长、步长时间、加载响应期、支撑中期、预摆期、摆动期占比与对照组相比有显著性差异。截肢者步态时相对称性指数为0.60±0.05,与患侧相比,健侧支撑期延长,步长缩短,地面反作用力大于患侧,压力中心轨迹向患侧偏移。结论髋离断截肢者与正常人的步态具有明显差异,其步行能力弱,步态对称性差,身体重心缺乏连贯性。研究结果为新型髋假肢的机械结构和控制系统设计提供实验依据与理论分析。

髋离断假肢接受腔-残肢站立期静态有限元分析

目的利用有限元分析方法研究髋残肢在支撑阶段与髋离断假肢接受腔生机界面的力学特性,为优化、设计髋接受腔结构提供理论依据,为评估髋接受腔舒适度提供研究基础。方法根据患者残肢CT扫描模型,采用逆向建模的方式,三维重建骨骼、软组织以及接受腔模型。利用有限元方法研究站立状态下残肢-髋接受腔界面正应力及剪切应力的分布情况,并通过设计压力采集模块系统进行验证。结果残肢与髋接受腔界面应力主要分布在腰部和残肢底部,位于残肢其余区域的界面应力则分布较为均匀。有限元计算结果和压力采集模块系统测量结果有较好的符合。结论为能较好实现髋接受腔功能传递性和安全舒适性,需要充分考虑残肢腰部和底部的受力以及残肢与接受腔的配合度。

一种新型髋离断外动力假肢的设计方法

为解决当前髋离断假肢在使用过程中存在的步态不对称问题,本研究提出了一种新型髋离断外动力假肢的设计方法。基于理论模型分析了造成假肢使用者步态不对称的原因,采用双平行四边形连杆机构将假肢的旋转中心定位在患者残肢髋臼,并依靠电机提供曲髋过程中的动力补偿。实验结果表明,患者佩戴传统髋离断假肢确实存在步态不对称问题,而该新型假肢髋关节角度变化更接近健侧髋关节角度的周期变化。该研究证实了提高髋离断假肢旋转轴心与健侧旋转轴心重合度是提高假肢使用者步态对称的关键,对提高佩戴髋离断假肢使用者的生活质量有重要意义。

智能助力型髋离断假肢设计与实验验证

目的设计一种新型智能助力型髋离断假肢,并采用实验验证其运动学表现。方法采用基于远程运动中心机构的双平行四连杆构型设计假肢主体,采用串联弹性驱动器为假肢提供外源动力,并采用拮抗扭簧结构实现髋关节屈曲和伸展双向储能助力。建立了基于阻抗控制的假肢控制系统方案,通过设置辅助力场以弥补假肢关节实际角度与目标角度之间的偏差,进而实现假肢助力功能。最后以传统型髋离断假肢为对照,测试正常人穿戴新型智能助力型髋离断假肢的整体性能。结果新型智能助力型髋离断假肢的髋关节角度曲线与正常人的拟合优度为86%,比传统型髋离断假肢(72%)高出14%;新型智能助力型髋离断假肢的健侧角度与正常人的的拟合优度为94%,与传统型髋离断假肢持平。结论设计了一种新型智能助力型髋离断假肢,实现了假肢辅助运动的功能。

基于远程运动中心机构的动力髋离断假肢的设计与仿真

传统髋离断假肢转动中心常置于接受腔前下方而与健康侧髋关节转动中心位置不对称,导致假肢运动与健康下肢运动对称性差;且多数为被动关节,需要依靠截肢者代偿提髋动作实现假肢运动,同样的行走运动相比正常人需要多消耗2~3倍的能量。本文提出一种基于远程运动中心(RCM)机构的动力髋离断假肢(HDPs)。采用双平行四边形设计方法,以机构的最小尺寸为目标,利用遗传算法进行尺寸优化,实现了假肢旋转中心与健康侧下肢旋转中心相对称;通过分析人体行走过程中髋关节力矩和角度关系曲线,控制系统镜像健康侧下肢运动参数,利用并联驱动器系统为假肢提供助力。在建立的SolidWorks、ADAMS虚拟样机联合仿真平台上进行髋离断假肢的运动仿真并得到变化曲线,通过与健康下肢、传统假肢量化对比,分析设计方案的科学性。结果显示,本设计能够实现预期的效果,设计方案具有可行性。

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S_(Ⅰ)、R_(Ⅰ)、R_(Ⅱ)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S_(Ⅰ)和R_(Ⅱ)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。

髋离断患者假肢装配1例体会

本案例介绍了一例髋离断截肢者康复流程、假肢安装及安装后的训练方法,并探讨了髋离断假肢安装时遇到的问题及解决方法。