双侧髋关节离断假肢交互步态行走机构的研究

蔡丽飞,曹学军,,杨平,姚申思,宋佳佳,庄建龙,张倩

双侧髋关节离断假肢交互步态行走机构的研究

蔡丽飞1,曹学军1,2,杨平2,姚申思2,宋佳佳2,庄建龙2,张倩2

目的设计一种与双侧髋关节离断假肢其他配件连接的交互步态行走机构。方法将截瘫患者用矫形器交互步态行走原理应用于双侧髋关节离断假肢交互步态行走机构中,为1例截肢者安装交互步态行走假肢,并与穿普通加拿大式双髋离断假肢摆过步态的行走速度和能量消耗进行比较。结果患者穿交互步态行走假肢交互步行比穿普通加拿大式双髋离断假肢摆过步行能量消耗少,且减轻上肢负荷,行走外观更接近常人;后者比前者行走速度快,但是能耗高。结论本截肢者交互步态行走假肢比传统假肢步行能量消耗少,行走外观更接近常人。

截肢;双侧髋关节离断;假肢;交互步态;能量消耗

双侧髋关节离断通常是为挽救一些因脉管疾病、肿瘤、压疮或外伤累及双下肢及骨盆者的生命而进行的手术[1-3]。双侧髋关节离断属于高位截肢,这类截肢者的康复给医生和技师带来很大的挑战。双下肢截肢者使用轮椅是最简单的解决移动的办法。接受腔下面连接两条假腿,可以一定程度上恢复外观[2-3]。对于上肢非常强壮的截肢者,穿普通双侧髋关节离断假肢可借助拐杖或助行架,经过训练完成摆过或者摆至步行[4-5]。由于摆过或摆至步行需要双上肢撑起身体及假肢重量向前摆动,对于上肢力量相对较弱的截肢者比较困难。

正常人的步态模式是双腿交互前后摆动,部分截瘫患者穿戴矫形器后可以借助助行器或双侧拐杖实现交互步态。交互步行矫形器的步行原理是膝、踝关节固定,髋关节在矢状面允许一定范围的活动。用双侧腋拐或助行器辅助,身体向一侧倾斜时把身体重量转移到支撑腿,通过不同机械装置连接两条腿,当支撑腿处于伸展状态时,对侧腿就屈曲,且保证双侧髋关节不会同时伸或屈,从而实现交互步态行走。现在常用到的交互步态截瘫矫形器主要是环索型RGO(Louisana State University Reciprocating Gait Orthosis)、ARGO(Advanced Reciprocating Gait Orthosis)、IRGO(Isocentric Reciprocating Gait Orthosis)3种[6-7]。国外在上世纪80年代就有了将矫形器交互步行原理应用于交互步态行走假肢的设计[8]。患者穿交互步行假肢步态更接近正常人,步行能耗降低,有助于改善心理[9]。但是国外已有交互步行假肢的设计存在对线调整困难、交互运动传递效率低等问题。国内尚未见双侧髋关节离断截肢者安装交互步行假肢的报道。

本课题综合国外研究的优点[8-10],根据IRGO交互步行矫形器原理及7E7髋关节特性设计一套双侧髋关节离断假肢交互步态行走机构,与双侧髋关节离断假肢其他标准配件连接,使双侧髋关节离断截肢者穿上假肢借助双侧腋拐能够实现交互步行。本研究旨在观察该机构的步行速度和能量消耗。

1 临床资料

患者,女性,42岁,2009年6月骑自行车被道路清洗车碾伤。诊为双下肢离断伤,骨盆骨折。行右大腿极短截肢,左髋关节离断术,骨盆外固定架固定术,结肠造瘘术,下肢截肢部创面植皮术。2010年1月为安装假肢来本院进行康复。

查体:患者左髋关节离断,残端前侧广泛瘢痕,左腹部结肠造瘘。右大腿行股骨小粗隆下3 cm水平截肢。右大腿截肢端前侧及下腹部广泛瘢痕。双侧髋关节部位肌肉萎缩。双臂侧平举,双手中指指尖距离158 cm。双上肢肌力5级,关节活动度正常。双侧髋关节离断假肢适用于一侧大腿极短截肢、另一侧髋关节离断的截肢者,因此把这例患者作为本课题研究对象。

2 方法

2.1 交互步态行走机构的设计、制作与改进

2.1.1 设计要求 交互步行机构与双侧髋关节离断假肢其他配件连接以后患者穿假肢能够实现以下功能:①不借助其他辅助器具能够维持静态站立平衡,保证安全;②步行时一条腿伸展,另一条腿同时产生屈曲运动;③髋关节屈伸角度限制在一定范围;④坐位与站立位安全转换;⑤对线易于调整。

根据文献报道及中国康复工程研究所交互步行截瘫矫形器安装情况,我们发现与环索型RGO、ARGO等相比,IRGO整个框架及交互运动传递装置均属于刚性结构,运动效率传递高,能量消耗低,且IRGO摇杆上的万向轴承有助于对线调整。因此,我们选择IRGO的摇杆、箍板及髋关节系统作为交互运动机构,并对其进行修改。

2.1.2 交互运动机构构成及修改 经过修改的7E7假肢髋关节、IRGO髋关节及摇杆系统:①标准的假肢髋关节是没有后伸角度的,因此对7E7关节进行修改使其既能屈曲运动又能后伸运动,以满足交互运动的基本要求;②在7E7假肢髋关节下关节体内加装一个止伸装置,通过调节它可以设定髋关节最大伸展角度,确保安全且能规定步长;③7E7关节轴沿轴向加长与IRGO髋关节旋转锁片及髋锁同轴,髋锁与7E7下部分用一个楔块固定在一起。见图1。

当手动把髋锁向下推到开锁位置时,髋锁和假腿同时与摇杆系统分开,绕髋轴自由旋转,实现站位到坐位的转换;当手动把髋锁向上推到锁定位置时,腿、髋锁及旋转锁片绕髋轴一起旋转,旋转锁片通过万向轴与IRGO摇杆连接。重力线通过一侧髋关节轴后方产生伸髋力矩时髋关节伸展运动,通过摇杆传到对侧产生屈曲运动,于是产生交互运动。

2.2 交互步行假肢装配 假肢接受腔采用双侧加拿大式,塑料板材加热真空成型。用两侧的髂嵴悬吊假肢,承重是利用坐骨结节和其周围的软组织[3]。冠状面髋关节连接板放置得尽量靠接受腔两边(图 2a)。这个位置为步行增加稳定性,且能使摆动腿在对侧最小的倾斜下完成离地。接受腔采用整体式,只在前侧开一个拱形门把对整体强度的影响降到最低,配以尼龙搭扣,既方便假肢穿脱,又保证接受腔与患者身体残端稳定地结合,防止在走路时产生相互扭动。接受腔外底面硬泡沫补高,保证水平坐位。改造的7E7及IRGO髋关节部分安放于接受腔前下方,IRGO箍板及摇杆与接受腔固定连接,IRGO箍板及摇杆材料为铝镁合金,重量轻,强度高。选用单轴带锁膝关节和静踝软跟脚(solid-ankle cushioned heel prosthetic foot,SACH脚)增加行走时的稳定性和安全性,大腿及小腿连接部件均选用钛合金材料减轻假肢重量。矢状面静态对线(图2b)使重力线通过髋关节后面膝关节前面踝关节前,保持静态平衡。

图1 交互运动机构装配简图

图2 交互步行假肢静态对线

身高分阶段逐渐长高,避免不易掌握平衡等问题的产生,先从短桩假肢开始,经过1周左右的平衡训练和步行训练,安装膝关节和小腿管,将患者最终穿假肢的身高定为157 cm,与截肢前的身高158 cm接近。

2.3 假肢使用训练 穿假肢前,增强全身体能的运动训练,主要是指导患者进行双上肢支持肌群、腹肌、腰背肌及两侧腰方肌的肌力增强训练,为穿假肢步行做准备。

穿假肢后的训练包括:①假肢使用方法训练:包括穿脱假肢,使用假肢站/坐位转换训练,移乘训练;②站立平衡训练;③步行训练:平衡杠内步行训练,拄腋拐步行训练。

2.4 评价方法 经过2周的步行训练,患者拄腋拐交互步行30 min可行走350 m。为评价交互步行机构的实用性,还为这例患者安装普通的双髋离断假肢,使用国产带锁髋关节,与交互步行假肢相同的假肢接受腔及膝、踝关节等配件,减少差异性。并指导患者进行摆过步行走训练[5,12],对比两种步行方式的静态平衡能力,行走速度及能量消耗[11]。经过1个月的训练,患者可以拄肘拐进行摆过步行走。分别对患者穿两种假肢进行以下实验:

2.4.1 静态平衡功能评价 参考国内外研究[11,13],主要分析以下2个测试指标:①重心总轨迹长;②外周面积。使用德国Zebris公司的FDM步态分析跑台进行测试。患者分别穿两种假肢静止站立在跑台上,记录数据10 s,测试3次,取平均值。

2.4.2 行走速度 患者分别穿两种假肢沿着一条20 m长的平坦路面以自选速度行走,每次只记录中间10 m行走的时间,测试3次,取平均值。

2.4.3 能量消耗 本研究采用氧气消耗作为能量消耗的一个评估。氧气消耗描绘完成规定的行走任务需要的能量。让患者穿两种假肢带上MetaMax3B便携式运动心肺测试仪分别以摆过步态和交互步态,在室内一条平坦走廊以自选速度行走6 min,仪器对呼吸运动过程中的气体流量、O2浓度、CO2浓度等参数进行实时数据采集。实验结束后根据患者行走距离、患者穿假肢体重、氧气摄入量计算出能量消耗。

3 结果

各项测试结果如表1,由重心总轨迹长及外周面积的平均数得出,患者穿交互步行假肢的静态平衡功能要好于穿普通双髋假肢。摆过步行走比交互步行走速度快,但是能量消耗高。

表1 患者穿两种假肢测试结果对比

4 讨论

双侧髋关节离断假肢适用于双髋离断、转子下截肢、先天性双下肢缺失、全骨盆切除等截肢者。假肢能够改善患者坐位重量分布、缓解压力区域、改善外观。截肢者穿普通加拿大式双侧髋关节离断假肢经过训练,使用拐杖或助行器可实现摆过、摆至步行走,使用者双上肢必须非常有力,能够把身体及假肢撑起离开地面,屈曲骨盆带动双髋假肢向前摆动,完成迈步。摆动期全部身体重量及假肢重量都由双上肢负荷。这种步行方式步幅大、行走速度快,要求非常好的躯干和上肢力量、平衡感觉、肌肉控制。对于上肢力量较弱的截肢者,穿普通双髋假肢实现摆过、摆至步行走就会非常困难。

交互步行机构使截肢者穿假肢能够实现交互步态行走,单腿支撑初期,截肢者把部分身体重量转移到身体前侧的腋拐上,通过使躯干侧向倾斜至支撑腿,向上抬高摆动侧骨盆使脚离地,躯干和骨盆在这个时期也伸展,向前推动骨盆并伸展支撑侧髋关节,这个伸展运动通过摇杆传到对侧使摆动腿髋关节产生屈曲。然后摆动腿接触地面,步态周期重复。交互步态行走模式更接近正常人。截肢平面越高,穿假肢行走能耗越高[14],双侧髋关节离断或更高水平的截肢者行走能耗要比下肢其他平面的截肢者高出许多,降低步行能量消耗可有效提高假肢使用率。

本研究显示,1例右侧大腿极短残肢、左侧髋离断截肢者分别安装普通加拿大式双侧髋关节离断假肢和交互步行双侧髋关节离断假肢,经过训练,穿这两种假肢拄双拐分别实现摆过步行和交互步行。通过静态平衡功能、行走速度及能量消耗测试对比,这例患者穿交互步行假肢比普通假肢静态平衡功能好,步行能量消耗低,步行速度相对较低。由此看出,摆过步行与交互步行各具优势,普通双髋离断假肢摆过步行走速度快,年轻、体力好的截肢者可以选择这种行走方式;本研究设计的交互步行机构使患者穿上假肢交互步行,能够降低步行能量消耗,减轻上肢负荷,行走外观更接近正常人,为高位截肢者实现行走提供了一种新的更具吸引力的选择。

本课题设计的交互步行机构与双侧髋关节离断假肢其他配件连接,假肢总重量9 kg。截肢者穿上假肢通过调整对线能够保持静态站立平衡,一侧髋关节屈曲时对侧髋关节伸展,借助双拐能够交互步态行走。患者手动打开双侧髋关节锁,双上肢后伸,支撑轮椅两侧扶手,双腿可同时屈髋,可以实现站位到坐位的安全转换;患者双上肢撑起身体直立,使髋关节后伸可以自动锁定髋关节,实现坐位到站立位转换。交互步行机构对假肢制作工艺要求简单,对线便于调整。我们希望以后继续完善此机构设计,并作为此类截肢者的一种康复手段推广使用。

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Design of Reciprocal Gait Prosthesis for Bilateral Hip Disarticulation

CAI Li-fei,CAO Xue-jun,YANG Ping,et al.Institute of Rehabilitation Engineering,Capital Medical University School of Rehabilitation Medicine,China Rehabilitation Research Center,Beijing 100068,China

ObjectiveTo design a reciprocal gait prosthesis connecting with the other prosthetic accessories for the bilateral hip disarticulation amputees.MethodsThe principle of reciprocal gait orthosis for paraplegia was used in the design,fitting reciprocal gait prosthesis for an amputee,which was compared with an ordinary bilateral Canadian type hip disarticulation prosthesis in the walking velocity and energy expenditure.ResultsThe amputee walked at lower energy expenditure and more like normal gait with reciprocal gait prosthesis while the walking velocity decreased,compared with the conventional prosthesis.ConclusionThis reciprocal gait prosthesis for bilateral hip disarticulation amputee needs less energy expenditure during walking like normal gait.

amputee;bilateral hip disarticulation;prosthesis;reciprocal gait;energy expenditure

[本文著录格式]蔡丽飞,曹学军,杨平,等.双侧髋关节离断假肢交互步态行走机构的研究[J].中国康复理论与实践,2011,17(4):382—385.

首都医学发展基金(2007-3133)。

1.首都医科大学康复医学院,北京市 100068;2.中国康复研究中心康复工程研究所,北京市 100068。作者简介:蔡丽飞(1986-),女,河南安阳县人,硕士研究生,主要研究方向:康复工程。通讯作者:曹学军(1961-),男,上海市人,硕士,副教授,主要研究方向:康复工程。

R687,R496

A

1006-9771(2011)04-0382-04

2011-03-16)