生物力学用于假肢性能评价的研究进展

赖卿,曹学军

假肢接受腔是将假肢连接到残肢的重要部件,其设计的合理性直接影响假肢使用的舒适性和方便程度。在临床上,接受腔需要假肢矫形师针对使用者的具体情况进行个体化设计。一个功能性、舒适性都满足要求的假肢往往要在使用者反馈其使用效果和使用后进行评测的基础上,经过一定修改(有时要修改多次)才能得到。

现有的大量研究表明,残端和接受腔接触面上的应力分布是影响接受腔设计的关键因素[1]。自1954年以来,研究者们陆续建立了多种测量残端/接受腔接触面应力分布的实验方法,为了解残端和接受腔接触面上的应力分布起到了重要的作用。但这些实验方法必须针对已成型的接受腔模型;同时,测到的结果往往只是个别部位的应力分布,而无法得到整体的信息,因此无法用实验方法对个体化接受腔设计的效果进行直接预测。从上世纪80年代开始,计算机辅助设计制造(computeraided design/computer-aided manufacturing,CAD/CAM)技术开始应用于接受腔的设计中,优化设计的接受腔并非简单地以残肢为模板,而必须根据功能性和舒适性的要求进行形状修正(socket rectification)。数字仿真可以较好地克服实验方法的局限,有限元法是目前普遍应用的分析方法[2]。但由于有限元建模是一个相对繁杂的过程,目前的研究停留在基础性的机理研究阶段,还难以直接应用于面向患者的假肢接受腔的CAD/CAM 中[3-4]。

1 接受腔/残肢界面应力测试

接受腔/残肢界面应力测量数据的首次报道是在20世纪50年代,其测量方法是用装满空气的传感器采样相对较大的面积(25 cm2)。虽然在人体/支撑面之间应力测量使用的传感器有很多种,关于接受腔应力分布的报道却很少,尤其对大腿残肢的应力分布更缺乏可参考的数据。在现有的资料中,Appoldt和Bennett使用微小的压力传感器结合附有4个半导体应变片的压力敏感薄膜来测量大腿接受腔/残肢界面的应力分布。Lee等应用了一种嵌入接受腔壁的传感器,这种传感器和接受腔内表面紧密结合,不会增加附加厚度,从资料显示来看,其测量精度相对较高,是一种新型的测量方法[5]。

2 接受腔CAD/CAM

假肢接受腔的CAD/CAM早在20世纪60年代的早期就已经提出了。然而,世界上第1个这样的系统一直到1983年才在英国伦敦大学学院(University College London,UCL)、加拿大英属哥伦比亚大学(University of British Columbia,UBC)等大学的合作下面世[6]。研究残肢参数模型以及接受腔和残肢界面压力分布规律,建立假肢适配性评价准则,使接受腔CAD/CAM能够完全不依赖于假肢技师经验自动修型,是假肢接受腔研究的热点和难点[7]。

CAD/CAM系统应用的优点首先在于提高了假肢矫形师们的效率,因为在传统的工艺中,修形必须在阳模完成之后;而在CAD/CAM系统中,一旦扫描得到残肢形状,即可进行修形。CAD/CAM系统的另一个优点在于显著降低了成本,因为它省去了许多中间取模的过程。但值得注意的是,许多假肢师仍然倾向于使用传统的设计方法[8]。因此,最理想的状态就是在现有的CAD/CAM中增加一个判断系统,能在接受腔成型之前就预测它的合理性,并能对接受腔的修整提供指导性意见或更进一步的定量化参数[9]。这首先需要建立起评价接受腔合理性的方法。

尽管当前的CAD/CAM系统可以较为准确地得到残肢的外轮廓形状,但优化设计的接受腔绝不完全以残肢为模板,而是能以得到理想的表面应力分布模式为目标[10]。因此,首先必须了解在各种因素作用下,残肢表面的应力分布(包括压力和剪应力),软组织内部应力分布以及滑移、摩擦以及骨与接受腔之间的相对位移等,其中残肢表面的压力分布往往是假肢师们所最关心的。研究方法包括两大类:实验研究和数字仿真。

3 有限元分析

有限元法是固体力学中的一种重要方法,其原理是把连续系统转变为离散型的结构,即先将物体假想地分成(离散化)诸多子单元,各个单元是由结点联系在一起的;再对每个单元用结点未知量来近似表示单元内部的各种位置量,从而将每个单元对整体的影响和贡献转化到各自单元的结点上;随后将这些单元总装成一个整体,并使它们满足整个物体的边界条件和连续条件,从而得到一组有关节点未知量的方程组;通过求解方程组,就可以求得物体内部各点所要求的各种物理量;单元内部物理量通过单元各节点内插来得到。

随着计算机技术和有限元理论的不断发展,人们开始大量使用数值模型和有限元法分析复杂的结构,三维有限元分析方法也逐渐成为生物力学分析的重要手段。有限元法的关键是模型的建立,模型的几何相似性、力学相似性、网格的划分直接影响计算的结果[8]。有限元法具有以下优点:①研究范围广,对于各种复杂结构(外形、载荷条件或边界条件)均可以进行力学分析;②可以给出数值解,结构模型内任意一点的应力/应变情况都可以用列表或梯度线图直观地显示出来;③具有灵活的分析能力,根据研究对象的特点,可以灵活、方便地改变载荷或边界条件,增强了分析的适用范围。尽管有限元法具有上述优点,但其结果仍为一近似解,因此有限元法也和其他方法一样,其结果需要与临床实践或实验分析相结合加以综合考虑,互相印证。

有限元分析作为一种辅助方法被应用到下肢植入式骨整合假肢研究中,其主要应用包括下面两点:①分析种植体上的应力分布,优化种植体的形状;②分析下肢种植体植入时骨上的初始应力分布,并将应力分布情况和组织学观察的结果进行对照分析,研究初始应力对下肢植入式骨整合假肢的影响[11]。

4 假肢三维刚体动力学模型

通过建立三维刚体动力学模型,将接受腔与残肢简化为刚性连接,无相对滑动和转动,建立三维动力学方程对接受腔受力进行计算分析[12-14]。目前已有实验室成功应用并计算分析出下肢截肢患者穿戴假肢对其残端生物力学的影响。运用数学建模的方法对假肢及假肢部件生理力线分析,使患者下肢生物力学性能总体达最优,获得稳定良好的步态,成为临床假肢装配和适用性能是否优越渐趋成熟的理论依据。

5 假肢步态分析、足底受力系统

随着计算机的广泛应用及其软件系统的开发,各种先进的假肢步态分析、足底受力系统、残肢/接受腔界面压力系统应用于临床分析评价假肢功能[15]。瑞典QTM步态分析系统选择患者左右侧踝关节、膝关节和大转子等解剖位置作为运动标志点分析确定下肢矢状面运动规律;美国ATMI力台可以同步采集双侧三维足底地面反力;德国Novel系统测量残肢与接受腔界面压力。选取代表下肢运动生物力学特性的3个参数讨论假肢对线设置的综合影响:以膝关节力矩反映膝关节的活动能力和消耗,以步态对称性表示步行外观恢复程度,以残端压力反映穿戴假肢的舒适程度。用科学定量的数据分析不断指导临床假肢的适配,提高效率与精确度。

6 总结与展望

假肢接受腔的设计是下肢假肢设计中最重要、同时也是最困难的部分,它将直接影响载荷传递的合理性,从而决定佩戴假肢的舒适度和可控性[16]。尽管CAD/CAM系统、有限元分析法、数学建模法在假肢装配与适用中的应用提高了假肢矫形师们的效率,一些传统的过程可因此而省略,但假肢的合理性仍依赖于假肢矫形师的个人经验和技能。本文总结了假肢性能评价的几种生物力学研究方法,为开发世界上第一个可直接应用于临床的接受腔生物力学性能评价系统作出了探索[17-19]。

对于未来假肢接受腔设计系统的特点展望,可总结如下:①评价准则的确定和专家系统的建立将使接受腔设计更智能化、标准化:迄今为止,假肢评价准则还没有建立,这需要积累大量的病例,从统计分析中得到;可以预见,确定了相应的评价准则,将使专家系统的建立成为可能,未来的设计系统将能根据残肢的形状和皮肤的状态直接建议接受腔形状;②有限元模型的改进将使得到的应力分布更接近于真实:为了保证临床的可行性,现研究对一些因素做了简化,比如软组织的非线性、接触面的滑移和摩擦等,随着计算机技术的发展和对这些因素的更深刻理解,未来的有限元模型将更为合理有效,因而得到的应力分布更真实,设计者们能得到更多、更准确的信息;③基于网络的接受腔设计将更快捷、经济:未来的数据库将集成日常事务管理的功能,同时它将能通过网络与各医院、中心以及相关的研究单位数据库相联,通过建立一些公认的标准和协议实现资源共享,使假肢设计能在远程进行,从而更加经济、快捷[20]。

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