生物力學用于假肢性能評價的研究進展

賴卿,曹學軍

假肢接受腔是將假肢連接到殘肢的重要部件,其設計的合理性直接影響假肢使用的舒適性和方便程度。在臨床上,接受腔需要假肢矯形師針對使用者的具體情況進行個體化設計。一個功能性、舒適性都滿足要求的假肢往往要在使用者反饋其使用效果和使用后進行評測的基礎上,經過一定修改(有時要修改多次)才能得到。

現有的大量研究表明,殘端和接受腔接觸面上的應力分布是影響接受腔設計的關鍵因素[1]。自1954年以來,研究者們陸續建立了多種測量殘端/接受腔接觸面應力分布的實驗方法,為了解殘端和接受腔接觸面上的應力分布起到了重要的作用。但這些實驗方法必須針對已成型的接受腔模型;同時,測到的結果往往只是個別部位的應力分布,而無法得到整體的信息,因此無法用實驗方法對個體化接受腔設計的效果進行直接預測。從上世紀80年代開始,計算機輔助設計制造(computeraided design/computer-aided manufacturing,CAD/CAM)技術開始應用于接受腔的設計中,優化設計的接受腔并非簡單地以殘肢為模板,而必須根據功能性和舒適性的要求進行形狀修正(socket rectification)。數字仿真可以較好地克服實驗方法的局限,有限元法是目前普遍應用的分析方法[2]。但由于有限元建模是一個相對繁雜的過程,目前的研究停留在基礎性的機理研究階段,還難以直接應用于面向患者的假肢接受腔的CAD/CAM 中[3-4]。

1 接受腔/殘肢界面應力測試

接受腔/殘肢界面應力測量數據的首次報道是在20世紀50年代,其測量方法是用裝滿空氣的傳感器采樣相對較大的面積(25 cm2)。雖然在人體/支撐面之間應力測量使用的傳感器有很多種,關于接受腔應力分布的報道卻很少,尤其對大腿殘肢的應力分布更缺乏可參考的數據。在現有的資料中,Appoldt和Bennett使用微小的壓力傳感器結合附有4個半導體應變片的壓力敏感薄膜來測量大腿接受腔/殘肢界面的應力分布。Lee等應用了一種嵌入接受腔壁的傳感器,這種傳感器和接受腔內表面緊密結合,不會增加附加厚度,從資料顯示來看,其測量精度相對較高,是一種新型的測量方法[5]。

2 接受腔CAD/CAM

假肢接受腔的CAD/CAM早在20世紀60年代的早期就已經提出了。然而,世界上第1個這樣的系統一直到1983年才在英國倫敦大學學院(University College London,UCL)、加拿大英屬哥倫比亞大學(University of British Columbia,UBC)等大學的合作下面世[6]。研究殘肢參數模型以及接受腔和殘肢界面壓力分布規律,建立假肢適配性評價準則,使接受腔CAD/CAM能夠完全不依賴于假肢技師經驗自動修型,是假肢接受腔研究的熱點和難點[7]。

CAD/CAM系統應用的優點首先在于提高了假肢矯形師們的效率,因為在傳統的工藝中,修形必須在陽模完成之后;而在CAD/CAM系統中,一旦掃描得到殘肢形狀,即可進行修形。CAD/CAM系統的另一個優點在于顯著降低了成本,因為它省去了許多中間取模的過程。但值得注意的是,許多假肢師仍然傾向于使用傳統的設計方法[8]。因此,最理想的狀態就是在現有的CAD/CAM中增加一個判斷系統,能在接受腔成型之前就預測它的合理性,并能對接受腔的修整提供指導性意見或更進一步的定量化參數[9]。這首先需要建立起評價接受腔合理性的方法。

盡管當前的CAD/CAM系統可以較為準確地得到殘肢的外輪廓形狀,但優化設計的接受腔絕不完全以殘肢為模板,而是能以得到理想的表面應力分布模式為目標[10]。因此,首先必須了解在各種因素作用下,殘肢表面的應力分布(包括壓力和剪應力),軟組織內部應力分布以及滑移、摩擦以及骨與接受腔之間的相對位移等,其中殘肢表面的壓力分布往往是假肢師們所最關心的。研究方法包括兩大類:實驗研究和數字仿真。

3 有限元分析

有限元法是固體力學中的一種重要方法,其原理是把連續系統轉變為離散型的結構,即先將物體假想地分成(離散化)諸多子單元,各個單元是由結點聯系在一起的;再對每個單元用結點未知量來近似表示單元內部的各種位置量,從而將每個單元對整體的影響和貢獻轉化到各自單元的結點上;隨后將這些單元總裝成一個整體,并使它們滿足整個物體的邊界條件和連續條件,從而得到一組有關節點未知量的方程組;通過求解方程組,就可以求得物體內部各點所要求的各種物理量;單元內部物理量通過單元各節點內插來得到。

隨著計算機技術和有限元理論的不斷發展,人們開始大量使用數值模型和有限元法分析復雜的結構,三維有限元分析方法也逐漸成為生物力學分析的重要手段。有限元法的關鍵是模型的建立,模型的幾何相似性、力學相似性、網格的劃分直接影響計算的結果[8]。有限元法具有以下優點:①研究范圍廣,對于各種復雜結構(外形、載荷條件或邊界條件)均可以進行力學分析;②可以給出數值解,結構模型內任意一點的應力/應變情況都可以用列表或梯度線圖直觀地顯示出來;③具有靈活的分析能力,根據研究對象的特點,可以靈活、方便地改變載荷或邊界條件,增強了分析的適用范圍。盡管有限元法具有上述優點,但其結果仍為一近似解,因此有限元法也和其他方法一樣,其結果需要與臨床實踐或實驗分析相結合加以綜合考慮,互相印證。

有限元分析作為一種輔助方法被應用到下肢植入式骨整合假肢研究中,其主要應用包括下面兩點:①分析種植體上的應力分布,優化種植體的形狀;②分析下肢種植體植入時骨上的初始應力分布,并將應力分布情況和組織學觀察的結果進行對照分析,研究初始應力對下肢植入式骨整合假肢的影響[11]。

4 假肢三維剛體動力學模型

通過建立三維剛體動力學模型,將接受腔與殘肢簡化為剛性連接,無相對滑動和轉動,建立三維動力學方程對接受腔受力進行計算分析[12-14]。目前已有實驗室成功應用并計算分析出下肢截肢患者穿戴假肢對其殘端生物力學的影響。運用數學建模的方法對假肢及假肢部件生理力線分析,使患者下肢生物力學性能總體達最優,獲得穩定良好的步態,成為臨床假肢裝配和適用性能是否優越漸趨成熟的理論依據。

5 假肢步態分析、足底受力系統

隨著計算機的廣泛應用及其軟件系統的開發,各種先進的假肢步態分析、足底受力系統、殘肢/接受腔界面壓力系統應用于臨床分析評價假肢功能[15]。瑞典QTM步態分析系統選擇患者左右側踝關節、膝關節和大轉子等解剖位置作為運動標志點分析確定下肢矢狀面運動規律;美國ATMI力臺可以同步采集雙側三維足底地面反力;德國Novel系統測量殘肢與接受腔界面壓力。選取代表下肢運動生物力學特性的3個參數討論假肢對線設置的綜合影響:以膝關節力矩反映膝關節的活動能力和消耗,以步態對稱性表示步行外觀恢復程度,以殘端壓力反映穿戴假肢的舒適程度。用科學定量的數據分析不斷指導臨床假肢的適配,提高效率與精確度。

6 總結與展望

假肢接受腔的設計是下肢假肢設計中最重要、同時也是最困難的部分,它將直接影響載荷傳遞的合理性,從而決定佩戴假肢的舒適度和可控性[16]。盡管CAD/CAM系統、有限元分析法、數學建模法在假肢裝配與適用中的應用提高了假肢矯形師們的效率,一些傳統的過程可因此而省略,但假肢的合理性仍依賴于假肢矯形師的個人經驗和技能。本文總結了假肢性能評價的幾種生物力學研究方法,為開發世界上第一個可直接應用于臨床的接受腔生物力學性能評價系統作出了探索[17-19]。

對于未來假肢接受腔設計系統的特點展望,可總結如下:①評價準則的確定和專家系統的建立將使接受腔設計更智能化、標準化:迄今為止,假肢評價準則還沒有建立,這需要積累大量的病例,從統計分析中得到;可以預見,確定了相應的評價準則,將使專家系統的建立成為可能,未來的設計系統將能根據殘肢的形狀和皮膚的狀態直接建議接受腔形狀;②有限元模型的改進將使得到的應力分布更接近于真實:為了保證臨床的可行性,現研究對一些因素做了簡化,比如軟組織的非線性、接觸面的滑移和摩擦等,隨著計算機技術的發展和對這些因素的更深刻理解,未來的有限元模型將更為合理有效,因而得到的應力分布更真實,設計者們能得到更多、更準確的信息;③基于網絡的接受腔設計將更快捷、經濟:未來的數據庫將集成日常事務管理的功能,同時它將能通過網絡與各醫院、中心以及相關的研究單位數據庫相聯,通過建立一些公認的標準和協議實現資源共享,使假肢設計能在遠程進行,從而更加經濟、快捷[20]。

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