研究目的:通过大腿截肢患者穿戴不同假肢膝关节行走的步态分析对不同假肢膝关节进行科学评估。研究方法:本文拟使用卡伦系统对单侧大腿截肢患者穿戴4种不同假肢膝关节(机械四连杆假肢膝关节、液压四连杆假肢膝关节、双气压多轴假肢膝关节、智能假肢膝关节)在3种步行条件下(0˚、±5˚行走)的步态能力进行研究,评价4种假肢膝关节在不同路况条件下的适配效果,为临床假肢膝关节的选择提供理论参考和数据支持。研究结果:1) 在0˚行走条件下,受试者步行速度最大;5˚、−5˚时步行速度均减小以增强步行稳定性;2) 在5˚时,受试者穿戴4种假肢膝关节行走步频均最小,其中3R20步频小于其他三组且在同样步行条件下与其他三组间有显著性差异(p < 0.05);3) 3种行走条件下3R20、3R60、3R106、C-LEG 4种假肢膝关节单步长均表现为患侧小于健侧,出现步长不对称的情况,其中3R20健患侧步长差异最大,表现最差,C-LEG在5˚行走条件下差异较大,说明C-LEG应在上坡路况行走状态进行改进提高;4) 从摆动期数值来看,3R20健患侧摆动期差异最大,表现最差;在0˚和−5˚条件下,C-LEG摆动期健患侧差异最小,表现最好,而在5˚时,3R60表现最好。结论:4种假肢膝关节中3R20在3种行走条件下步态表现最差;C-LEG表现最好,但应加强在上坡条件下受试者的适应性以提高在上坡路况的表现。 Research Purpose: The gait analysis of patients with leg amputation wearing different prosthetic knee joints was used to evaluate the different prosthetic knee joints scientifically. Research Methods: This paper intends to use the Karen system to study the gait ability of patients with uni-lateral thigh amputation wearing four different kinds of artificial knee joints (mechanical four-link artificial knee joint, hydraulic four-link artificial knee joint, double-pneumatic multi-axis artificial knee joint, and intelligent artificial knee joint) under three walking conditions(0˚, ±5˚ walking), and evaluate the fitting effect of four kinds of artificial knee joints under different road conditions, so as to provide theoretical reference and data support for the selection of clinical artificial knee joints. Research Results: 1) Under the walking condition of 0˚, the walking speed of the subject is the maximum; Walking speed decreased at 5˚ and −5˚ to enhance walking stability. 2) At 5˚, the walking frequency of subjects wearing the four kinds of artificial knee joints is the minimum, among which 3R20 step is smaller than the other three groups and has significant difference with the other three groups under the same walking condition. 3) Under three walking conditions, the single-step length of 3R20, 3R60, 3R106 and C-LEG of the four kinds of artificial legs and knees all show that the affected side is smaller than the healthy side, and the step length is asymmetric. Among them, 3R20 has the largest difference in step length on the healthy side and the worst performance. C-LEG has a large difference in 5˚ walking condition, indicating that C-LEG should be improved in uphill walking condition. 4) From the value of swinging period, 3R20 showed the largest difference and the worst performance in swinging period. Under the conditions of 0˚ and −5˚, the difference between the healthy side and the affected side in the C-LEG swinging stage was the smallest and the performance was the best, while at 5˚, the performance of 3R60 was the best. Conclusion: Among the four kinds of artificial knee joints, 3R20 has the worst gait performance under three walking conditions. C-LEG performs best, but the fitness of the subject in uphill conditions should be enhanced to improve performance in uphill conditions.
刘夕东1*,王帅2,王文平1,羊金花1,杨之涛3,胡锦鹏3,周继和2,颜智1,3,4,韩峰4#
1成都中医药大学附属四川省康复医院,四川 成都
2成都体育学院,四川 成都
3辽宁师范大学,辽宁 大连
4大连港医院,辽宁 大连
收稿日期:2019年9月2日;录用日期:2019年9月16日;发布日期:2019年9月23日
研究目的:通过大腿截肢患者穿戴不同假肢膝关节行走的步态分析对不同假肢膝关节进行科学评估。研究方法:本文拟使用卡伦系统对单侧大腿截肢患者穿戴4种不同假肢膝关节(机械四连杆假肢膝关节、液压四连杆假肢膝关节、双气压多轴假肢膝关节、智能假肢膝关节)在3种步行条件下(0˚、±5˚行走)的步态能力进行研究,评价4种假肢膝关节在不同路况条件下的适配效果,为临床假肢膝关节的选择提供理论参考和数据支持。研究结果:1) 在0˚行走条件下,受试者步行速度最大;5˚、−5˚时步行速度均减小以增强步行稳定性;2) 在5˚时,受试者穿戴4种假肢膝关节行走步频均最小,其中3R20步频小于其他三组且在同样步行条件下与其他三组间有显著性差异(p < 0.05);3) 3种行走条件下3R20、3R60、3R106、C-LEG 4种假肢膝关节单步长均表现为患侧小于健侧,出现步长不对称的情况,其中3R20健患侧步长差异最大,表现最差,C-LEG在5˚行走条件下差异较大,说明C-LEG应在上坡路况行走状态进行改进提高;4) 从摆动期数值来看,3R20健患侧摆动期差异最大,表现最差;在0˚和−5˚条件下,C-LEG摆动期健患侧差异最小,表现最好,而在5˚时,3R60表现最好。结论:4种假肢膝关节中3R20在3种行走条件下步态表现最差;C-LEG表现最好,但应加强在上坡条件下受试者的适应性以提高在上坡路况的表现。
关键词 :假肢,膝关节,卡伦系统,生物力学
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在临床中,单侧大腿截肢患者数量仅次于小腿截肢患者,居第二位 [
在行走过程中,膝关节几乎承受了全部体重,此外还要负担腿部的各种运动任务,是下肢功能的重要组成部分,因此膝关节是大腿假肢的重要功能部件。假肢膝关节种类繁多,目前临床常用的假肢膝关节按照摆动控制方式分为:机械膝关节、气压膝关节、液压膝关节、智能假肢膝关节等,对截肢者步行能力进行一定改善。
斜坡是日常生活中常见的路况之一,由于肌肉、关节和神经的缺失,截肢患者在坡道行走中可能会受到一定的限制,与人体关节相比,假肢的膝关节和假脚具有不同的特性,因此无法在坡道行走中采取及时有效的调整策略,从而导致失去平衡 [
本文拟对单侧大腿截肢患者穿戴4种不同的假肢膝关节(机械四连杆假肢膝关节、液压四连杆假肢膝关节、双气压多轴假肢膝关节、智能假肢膝关节)在3种步行条件下(0˚、±5˚行走)的步态能力进行研究,评价4种假肢膝关节在不同路况条件下的适配效果,为临床假肢膝关节的选择提供理论参考和数据支持。
选择2018年6~12月来四川省八一康复中心(四川省康复医院)调试假肢的单侧大腿截肢患者8名,其中左侧大腿截肢患者4名,右侧大腿截肢患者4名。记录研究对象的基本资料,包括年龄、性别、身高、体重、截肢原因、残肢长度等。本实验得到四川省八一康复中心(四川省康复医院)伦理委员会批准,患者的依从性良好,患者及家属同意合作完成实验,受试者基本情况见表1。
样本量 | 年龄(岁) | 身高(cm) | 体重(kg) | 残肢长度(cm) |
---|---|---|---|---|
N = 8 | 18~50 | 150~180 | 45~75 | 11~38 |
表1. 受试者基本信息表
纳入标准:1) 单侧大腿截肢患者;2) 年龄18~50岁;3) 残肢长度大于10 cm且残端皮肤弹性良好;4) 健侧功能正常;5) 有8个月以上穿戴假肢的经历(见表1)。
排除标准:1) 认知障碍或者偏瘫患者;2) 患有其他可能导致异常步态疾病者;3) 残端伤口未愈合患者;4) 测试过程中无法坚持实验者。
假肢膝关节种类:测试过程中选取常用的四种假肢膝关节,包括机械四连杆假肢膝关节(3R20)、液压四连杆假肢膝关节(3R60)、双气压多轴假肢膝关节(3R106)和智能假肢膝关节(C-LEG) [
图1. 四种假肢膝关节(从左至右依次为3R20、3R60、3R106、C-LEG)
卡伦系统(CAREN System)是由12个红外摄像头、2个内置压力板、6自由度圆形运动跑台、四个投影仪、220˚球形大屏幕和D-Flow软件等组成的智能康复系统,其中6自由度运动跑台可沿X、Y、Z轴在三维方向移动,模拟上下坡、左右移动、环绕运动等,结合虚拟场景创造出逼真、动态的康复环境 [
图2. 卡伦系统(左)及测试现场图(右)
图3. 步态测试Marker粘贴位置示意图
1 | LASIS | 左侧髂前上棘 | 11 | LTOE | 左侧大脚趾末端 |
---|---|---|---|---|---|
2 | RASIS | 右侧髂前上棘 | 12 | LMT5 | 左侧第五跖骨 |
3 | LPSIS | 左侧髂后上棘 | 13 | RGTRO | 右侧大转子 |
4 | RPSIS | 右侧髂后上棘 | 14 | FRTHI | 右侧股骨骨干2/3处 |
5 | LGTRO | 左侧大转子 | 15 | RLEK | 右侧股骨髁 |
6 | FLTHI | 左侧股骨骨干1/3处 | 16 | RATI | 右侧腓骨骨干1/3处 |
7 | LLEK | 左侧股骨髁 | 17 | RLM | 右侧外踝 |
8 | LATI | 左侧腓骨骨干1/2处 | 18 | RHEE | 右侧跟骨 |
9 | LLM | 左侧外踝 | 19 | RTOE | 右侧大脚趾末端 |
10 | LHEE | 左侧跟骨 | 20 | RMT5 | 右侧第五跖骨 |
表2. Marker粘贴位置对应表
使用SPSS19.0对获得的数据进行统计学处理(独立样本T检验及配对样本T检验);显著性水平设为α = 0.05 (1、2、3分别表示与0˚、5˚、−5˚存在显著差异;a、b、c、d分别表示与3R20、3R60、3R106、C-LEG存在显著差异;#、*分别表示与健侧、患侧存在显著差异)。
三维步态分析作为客观准确的评定方法,可以精确定量测量步态参数,在临床的康复过程中被广泛使用 [
由表3可知,在5˚和−5˚条件下,受试者步行速度均小于0˚,而步行速度低时步态稳定性较高,在复杂路况时,正常人同样会降低步行速度以增强稳定性 [
3R20 | 3R60 | 3R106 | C-LEG | |
---|---|---|---|---|
0˚ | 0.81 ± 0.11,2,3,b,c,d | 0.91 ± 0.122,3,a | 0.95 ± 0.102,3,a | 0.92 ± 0.122,3,a |
5˚ | 0.71 ± 0.091,b,c | 0.80 ± 0.081,a | 0.81 ± 0.041,a | 0.76 ± 0.041 |
−5˚ | 0.67 ± 0.121,b,c,d | 0.76 ± 0.171,a | 0.77 ± 0.051,a | 0.78 ± 0.061,a |
表3. 四种假肢不同条件下步行速度(m/s)
由表4可知,在0˚条件下,3R20、3R60、3R106、C-LEG步频分别为91.89 step/min、100.49 step/min、102.42 step/min、100.91 step/min;在5˚条件下,四种假肢膝关节的步频分别为88.48 step/min、93.35 step/min、94.78 step/min、93.74 step/min;在−5˚条件下,四种假肢膝关节的步频分别为94.64 step/min、101.82 step/min、101.31 step/min、102.07 step/min。在3种行走条件下,5˚时4种假肢膝关节步频均最小,且与其他两种行走条件步频存在显著差异(p < 0.05),而在其他两种行走条件下4种假肢膝关节步频表现不一致,其中3R20、3R60、C-LEG为0˚ < −5˚;而3R106表现为0˚ > −5˚;3R20步频小于其他三组且在同样步行条件下与其他三组间有显著性差异(p < 0.05),其他三组步频不存在统计学差异(p > 0.05) (见表4)。
3R20 | 3R60 | 3R106 | C-LEG | |
---|---|---|---|---|
0˚ | 91.89 ± 6.292,b,c,d | 100.49 ± 7.132,a | 102.42 ± 7.892,a | 100.91 ± 6.592,a |
5˚ | 84.88 ± 6.601,3,b,c,d | 93.35 ± 6.271,3,a | 94.78 ± 5.921,3,a | 93.74 ± 3.331,3,a |
−5˚ | 94.64 ± 9.222,b,c,d | 101.82 ± 7.022,a | 101.31 ± 8.792,a | 102.07 ± 8.292,a |
表4. 四种假肢不同条件下步频(step/min)
单侧大腿截肢患者穿戴假肢后,通常会出现左右两侧步态不对称的情况 [
3R20 | 3R60 | 3R106 | C-LEG | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
患侧 | 健侧 | 患侧 | 健侧 | 患侧 | 健侧 | 患侧 | 健侧 | |
0˚ | 0.50 ± 0.08 | 0.55 ± 0.06 | 0.51 ± 0.07 | 0.53 ± 0.08 | 0.52 ± 0.06 | 0.54 ± 0.07 | 0.53 ± 0.07 | 0.55 ± 0.06 |
5˚ | 0.46 ± 0.09 | 0.54 ± 0.08 | 0.48 ± 0.06 | 0.52 ± 0.10 | 0.48 ± 0.05 | 0.52 ± 0.07 | 0.46 ± 0.05 | 0.52 ± 0.06 |
−5˚ | 0.41 ± 0.08 | 0.45 ± 0.09 | 0.40 ± 0.13 | 0.44 ± 0.08 | 0.44 ± 0.07 | 0.44 ± 0.08 | 0.45 ± 0.08 | 0.45 ± 0.07 |
表5. 四种假肢不同条件下单步长(m)
由表6可知,3种行走条件下3R20、3R60、3R106、C-LEG 4种假肢膝关节摆动期所占百分比表现较为一致,均为健侧摆动期较短,患侧摆动期较长,这与前期研究结果一致 [
3R20 | 3R60 | 3R106 | C-LEG | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
患侧 | 健侧 | 患侧 | 健侧 | 患侧 | 健侧 | 患侧 | 健侧 | |
0˚ | 37.89 ± 3.34# | 28.84 ± 2.67* | 35.45 ± 1.27 | 31.15 ± 1.38 | 35.21 ± 2.06 | 30.69 ± 1.15 | 35.04 ± 1.16 | 30.95 ± 1.30 |
5˚ | 33.96 ± 3.89# | 27.71 ± 2.20* | 33.40 ± 1.52 | 29.67 ± 1.47 | 33.68 ± 1.96 | 29.71 ± 1.60 | 32.86 ± 1.40 | 29.00 ± 1.99 |
−5˚ | 37.72 ± 3.97# | 28.43 ± 2.47* | 33.57 ± 2.07 | 30.64 ± 1.99 | 34.35 ± 1.89 | 30.23 ± 1.27 | 32.95 ± 2.01 | 30.21 ± 1.76 |
表6. 四种假肢不同条件下摆动期百分比(%)
由表7可知,3种行走条件下3R20、3R60、3R106、C-LEG 4种假肢膝关节摆动期无显著差异(p > 0.05),其中3种行走条件下5˚时双支撑期大于其他两种行走条件,但数据间无显著差异(p > 0.05),同时健患侧之间差异较小,说明双支撑期百分比这一指标在不同假肢膝关节测试过程中不敏感(见表7)。
3R20 | 3R60 | 3R106 | C-LEG | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
患侧 | 健侧 | 患侧 | 健侧 | 患侧 | 健侧 | 患侧 | 健侧 | |
0˚ | 33.42 ± 4.27 | 33.45 ± 4.34 | 34.39 ± 1.87 | 34.40 ± 1.84 | 34.05 ± 3.00 | 34.12 ± 3.00 | 34.01 ± 1.77 | 34.02 ± 1.78 |
5˚ | 38.33 ± 5.33 | 38.33 ± 5.31 | 36.62 ± 2.65 | 36.60 ± 2.63 | 36.62 ± 2.97 | 36.61 ± 2.97 | 37.40 ± 2.75 | 37.43 ± 2.86 |
−5˚ | 33.69 ± 4.87 | 33.65 ± 4.83 | 36.70 ± 3.55 | 36.79 ± 3.52 | 35.45 ± 2.89 | 35.43 ± 2.90 | 34.85 ± 2.79 | 34.85 ± 2.77 |
表7. 四种假肢不同条件下单步长(m)
通过对8名单侧大腿截肢患者穿戴3R20、3R60、3R106、C-LEG 4种假肢膝关节在0˚、5˚、−5˚三种行走条件下的步态进行测试和分析,我们得出如下结论:
1) 在0˚行走条件下,受试者步行速度最大;5˚、−5˚时步行速度均减小以增强步行稳定性。
2) 在5˚时,受试者穿戴4种假肢膝关节行走步频均最小,其中3R20步频小于其他三组且在同样步行条件下与其他三组间有显著性差异;其他两种行走条件下4种假肢膝关节步频表现不一致,其中3R20、3R60、C-LEG在−5˚条件下表现优于0˚条件下;而3R106在0˚条件下表现优于−5˚条件下;3R20步频小于其他三组且在同样步行条件下与其他三组间有显著性差异(p < 0.05),其他三组步频不存在统计学差异(p > 0.05)。
3) 3种行走条件下3R20、3R60、3R106、C-LEG 4种假肢膝关节单步长均表现为患侧小于健侧,出现步长不对称的情况,其中3R20在3种行走条件下健患侧步长差异最大,且表现最差;在0˚和−5˚行走条件下,C-LEG步长最大,表现最好;在5˚行走条件下健患侧步长差异较大,3R60、3R106两种假肢膝关节表现较好,C-LEG 4略低于3R60、3R106。在5˚行走条件下步长差异较小,3R106、C-LEG表现较好。由此可见,C-LEG需要在5˚行走条件下进行改进提高。
4) 从摆动期数值来看,3R20健患侧摆动期差异最大,在三种条件下均表现最差;在0˚和−5˚条件下,C-LEG摆动期健患侧差异最小,表现最好,而在5˚时,3R60表现最好。
综上所述,从实验结果来看,4种假肢膝关节中3R20在3种行走条件下步态表现最差;C-LEG表现最好,但应加强在上坡条件下受试者的适应性以提高在上坡路况的表现。
本研究测试过程未考虑受试者习惯穿戴的假肢膝关节对测试结果的影响,且对于其他假肢膝关节的适应过程较短,在今后的实验研究中会进一步完善。未来假肢膝关节技术的发展将根据个体化需要提供个性化的服务,同时,最新的材料学技术、电脑技术将应用于新型假肢膝关节的研究和开发过程中,为截肢患者带来更多的福音。
四川省卫生和计划生育委员会科研课题(项目编号:16PJ378);中国康复联盟课题(项目编号:20160204);辽宁省自然科学基金(20170540056);中国残疾人辅助器具中心科研课题:CJFJRRB10-2018。
刘夕东,王 帅,王文平,羊金花,杨之涛,胡锦鹏,周继和,颜 智,韩 峰. 单侧大腿截肢患者穿戴不同假肢膝关节行走的步态分析Gait Analysis of Patients with Unilateral Thigh Amputation Wearing Different Prosthetic Knee Joints[J]. 临床医学进展, 2019, 09(09): 1105-1112. https://doi.org/10.12677/ACM.2019.99170