生物力学用于假肢性能评价的研究进展

・综述・生物力学用于假肢性能评价的研究进展

赖卿1,2,曹学军1,2

[摘要]生物力学研究方法用于假肢性能评价的方法主要有接受腔/残肢界面应力测试,接受腔计算机辅助设计制造,有限元分析在假肢研究中的应用,假肢三维刚体动力学模型的应用,假肢步态分析、足底受力系统等的应用,并对未来假肢接受腔设计系统的特点进行展望。

[关键词]生物力学;假肢;计算机辅助设计制造;有限元;综述

E valu ation in Prostheses’Perform ance Using Biomechanical Method(review)L A I Qing,CA O X ue2j un.Ca pital Medical Universit y School of Rehabilitation Medicine,B ei j ing Charit y Hos pital,China Rehabilitation Research Cent re,B ei j i ng100068,China Abstract:The gradually developing study methods included the application of socket2limb interface stress test,socket computer aided design and manufacture,finite element method,the building of prosthesis3D2rigid body kinetic model,gait analysis,and the footplate force system.

K ey w ords:biomechanics;prosthesis;computer aided design and manufacture;finite element method;review

[中图分类号]　R496[文献标识码]　A[文章编号]　100629771(2010)0120040202

[本文著录格式]　赖卿,曹学军.生物力学用于假肢性能评价的研究进展[J].中国康复理论与实践,2010,16(1):40—41.

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(computer2 aided design/computer2aided 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[324]。

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(25cm2)。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

作者单位: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:赖卿(19852),女,江西赣州市人,硕士研究生,主要研究方向:康复工程学。通讯作者:曹学军。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