1例單側大腿截肢者穿戴四種假肢膝關節步行能力的評價①

刁子龍，曹學軍，魏艷琴，馬鑫鑫

1例單側大腿截肢者穿戴四種假肢膝關節步行能力的評價①

刁子龍1,2，曹學軍2,3，魏艷琴2，馬鑫鑫1

目的 比較1例單側大腿截肢者穿戴四種不同假肢膝關節后的步行能力，為臨床開具假肢處方提供參考。方法 1例單側大腿截肢者分別穿戴機械四連桿、氣壓四連桿、液壓單軸和智能假肢膝關節，穿戴智能日常活動能量消耗記錄儀進行計時起立與行走測試、室內6分鐘步行測試、靜態站立平衡測試和室外1000 m步行測試。結果 截肢者穿戴智能膝關節假肢比穿戴其他膝關節假肢在步行過程中能量消耗少，步行速度快。結論 不同假肢膝關節對單側大腿截肢者步行能力影響不同。

大腿截肢者；假肢；步行能力；假肢膝關節；評定

大腿假肢的主要功能部件是膝關節和假腳，其中假肢膝關節的作用最為重要。由于截肢者失去了膝關節，相對于小腿及下肢遠端截肢者來說，對身體的控制將更加困難，步行的穩定性、安全性及步態姿勢也有一定差距，因此單側大腿截肢者穿戴具有良好控制功能膝關節的假肢，可以幫助截肢者實現站立的穩定及步行過程的自然美觀，影響著截肢者的步行能力水平[1]。

穿戴假肢后步行能力的評價對截肢者康復計劃的制定與實施、康復效果的評價有一定的指導意義，但目前對單側大腿截肢者步行能力的評價方法并不統一。常用的方法有定性評定法、量表法[2]、三維步態分析法[3-5]等，其中參考指標主要為步行速度、步態對稱性和步行的能量消耗等。性能良好的假肢膝關節可以幫助大腿截肢者在站立期及支撐期防止過度屈曲，避免截肢者在站立和行走過程中跌倒；在步行擺動期控制假肢小腿擺動的速度，使截肢者步態更加自然[6]。

假肢膝關節的種類有很多，目前比較常見有機械假肢膝關節、智能假肢膝關節等，其中機械假肢膝關節以單軸膝關節、多軸控制膝關節、流體控制膝關節(液壓和氣壓)為主；智能假肢膝關節主要以微處理器控制膝關節擺動，如德國奧托博克的C-Leg假肢。目前國內外學者普遍認為，智能假肢膝關節及液壓控制膝關節對單側大腿截肢者步行能力的改善作用較大，但評估結果多為提取自步態分析實驗室中的短距離步行信息，受制于實驗場地、儀器等條件因素，無法真實反映單側大腿截肢者在實際生活中穿戴不同假肢膝關節的步行能力情況[7-8]。

本研究對1例大腿截肢者穿戴四種不同膝關節進行平衡、室內步行和室外復雜路面測試，客觀評價穿戴不同假肢膝關節對單側大腿截肢者步行能力的影響，為假肢相關臨床工作者對大腿假肢膝關節的選用及處方開具提供參考。

1 資料與方法

1.1 一般資料

患者男性，47歲，身高174 cm，體質量70 kg，1998年因駕駛車輛剎車失靈遭遇車禍致左側大腿截肢，術后2周安裝假肢進行康復訓練。

查體：患者左側大腿截肢，坐骨結節至殘肢末端距離32 cm，雙上肢肌力Ⅴ級，健側及截肢側殘存肌肉肌力Ⅴ級，關節活動度均正常。殘肢皮膚感覺正常，無瘢痕及未愈合創面。

1.2 方法

1.2.1 假肢膝關節的選擇

選擇大腿截肢者較常選用的四種假肢膝關節用于測試，包括機械四連桿假肢膝關節(Ottobock 3R20)、氣壓四連桿假肢膝關節(Ottobock 3R78)、液壓單軸假肢膝關節(Ottobock 3R80)、智能假肢膝關節(Ottobock C-LEG)。

1.2.2 評價設備

智能日常活動能量消耗記錄儀(Intelligent Device for Energy Expenditure and Activity, IDEEA)(MINISUN,Fresno,California)包含5個加速度采集單元和1個數據處理存儲單元。其中數據處理存儲單元系在腰部，5個加速度采集單元的位置為兩側足底第四跖趾關節近端處、兩側大腿前面中間位置、兩側胸鎖關節連線中點下方。

Zebris FDM-T步態分析跑臺(ZEBRIS MEDICAL GMBH,Germany)配有10,240個微型壓力傳感器，每個傳感器大小為0.85×0.85 cm，跑臺測試面積150×50 cm，采樣率120 Hz。

1.2.3 評價流程

受試者參加測試前穿戴液壓單軸膝關節12個月。為排除長期穿戴的膝關節對測試數據的影響，隨機選擇假肢膝關節請受試者穿戴進行測試，接受腔、假腳、懸吊方式等不進行更換，假腳均選用靜踝軟跟腳(Ottobock 1D35)。由一名具有豐富臨床經驗的假肢師為受試者進行假肢的調試，并指導受試者對安裝的假肢膝關節進行每天不少于2 h的適應性訓練，包括平路行走、上下坡路行走、上下樓梯、石子路行走等，適應1周后開始進行以下評價測試，測試之前由一名測試人員為受試者穿戴IDEEA設備。

1.2.3.1 計時起立與行走測試(Timed Up and Go Test,TUGT)

請受試者坐在配有扶手及靠背的座椅上，從座椅處站起，盡可能快速地向前行走3 m，再轉身走回到座椅坐下，記錄受試者完成動作的時間。測試3次，取平均值。

1.2.3.2 室內6分鐘步行測試(6-Minute Walk Test,6MWT)

選取室內距離為30 m的通道進行測試。令受試者以自我感覺最舒適的速度步行6 min，通過受試者身上穿戴的IDEEA記錄步行距離、步速、步頻、跨步長、步態周期、單支撐期、雙支撐期、擺動期。測試3次，取平均值。

1.2.3.3 靜態站立平衡測試

請受試者以中立位站在跑臺上進行測試，雙腳對齊，身體直立，兩臂自然下垂放于身體兩側，水平目視前方。記錄受試者的重心軌跡長度、重心軌跡面積、X最大偏移量、Y最大偏移量。測試3次，每次測試時間為30 s，取平均值。

1.2.3.4 室外1000 m步行測試

選取1000 m規定路線，其中包含平路650 m、坡路80 m、草地50 m、碎石子路180 m、上下樓梯(20級臺階，高度15 cm)。測試全程需有實驗人員陪同，保證步行路線的一致性和可重復性。測試2次，記錄完成時間、總能量消耗、室外上下坡和上下樓梯時的步態數據及能量消耗，取平均值。

2 結果

TUGT測試中，液壓單軸及智能假肢膝關節所用時間少于機械四連桿和氣壓四連桿假肢膝關節。

6MWT測試中，機械四連桿假肢膝關節雙側單支撐期時間、雙支撐期時間、步態周期最長，健側擺動期比例、步速、步行距離、步頻最低；液壓單軸假肢膝關節健側單支撐期時間最短、步速最快、跨步長及步行距離最長；智能假肢膝關節患側單支撐期時間最短，雙側擺動期比例、步頻最大。

靜態站立平衡測試中，四種假肢膝關節各項參數差異并不明顯。

室外1000米步行測試中，智能假肢膝關節用時最短且總能量消耗最低。上樓梯階段，氣壓四連桿假肢膝關節能量消耗最低、液壓單軸假肢膝關節最高；下樓梯階段，氣壓四連桿假肢膝關節最高，智能假肢膝關節最低；上坡及下坡階段，機械四連桿假肢膝關節關節最高，智能假肢膝關節最低；石子路階段，智能及液壓單軸假肢膝關節能量消耗低于機械四連桿和氣壓四連桿假肢膝關節。見表1。

3 討論

本研究使用IDEEA定量評價單側大腿截肢者穿戴四種不同假肢膝關節的步行能力。IDEEA是一種基于加速度傳感器的智能設備，能夠測量截肢者在步行過程中的加速度，通過專用的軟件進行處理分析，可以計算得出客觀、可靠的步態參數數據及能量消耗數據。IDEEA具有體積小、重量輕、測試時間長、對受試者干擾程度小、操作簡便、數據處理準確等特點。在能量消耗測量方面，與雙標水法和間接熱量測定法有很強的相關性，已在臨床多個領域得到廣泛的應用[9]。

表1 穿戴四種假肢膝關節測試結果比較

膝關節是大腿假肢最重要的功能部件。高性能的大腿假肢膝關節可以保證患者在支撐期的穩定性和擺動期的靈活性[10]，改善截肢者的步行功能。智能控制假肢膝關節與傳統的氣壓、液壓控制假肢膝關節相比，可以自動識別截肢者步行的速度、道路情況等信息，通過微電腦動態調整支撐期和擺動器膝關節阻尼大小來適應步行速度、關節角度、道路情況的變化[11]，同時智能假肢膝關節內的力矩傳感器可以識別擺動初期，減少膝關節阻尼，幫助小腿加速擺動及膝關節屈曲[12]，使截肢者的步態更接近正常人，降低步行過程的能量消耗，提高截肢者的步行能力[13]。對于大腿截肢者來說，適合的假肢膝關節有助于改善截肢者的步行功能。

本研究通過對單側大腿截肢者進行TUGT、6MWT、靜態站立平衡測試和室外1000米步行測試，利用室內步行能力測試及室外復雜路面步行能力測試，模擬截肢者日常生活中的家庭性行走和社區性行走條件，評估步態參數數據、平衡參數數據、能量消耗參數數據，對單側大腿截肢者穿戴四種不同類型假肢膝關節的步行能力進行定量評價研究，分析不同假肢膝關節對單側大腿截肢者步行能力的影響。

TUGT中，穿戴智能及液壓單軸假肢膝關節較穿戴機械、氣壓四連桿假肢膝關節平均時間少，可能是由于智能、液壓單軸假肢膝關節在截肢者起立時，有良好的助伸功能，可以幫助受試者更快速、安全地由坐位轉換至站立位，并能減少步行過程中擺動期時間，提高步行速度。

6MWT中，單支撐期占步態周期百分比、雙支撐期占步態周期百分比反映受試者在步行過程中的穩定性大小，單支撐期比值增大表明穩定性提高，雙支撐期比值增大表明穩定性減少[14]。受試者穿戴智能假肢膝關節單支撐期時間占步態周期百分比、雙支撐期時間占步態周期百分比均較機械四連桿、氣壓控制四連桿關節明顯降低，與液壓單軸膝關節差別不大，提示智能、液壓單軸膝關節在步行穩定性上較另兩種關節稍差，但在保證截肢者步行基本穩定性的前提下，可以達到更高的步行速度，完成更長距離的行走。由于智能假肢膝關節通過微電腦可動態調整膝關節阻尼大小來適應步行速度變化，因此在步態對稱性上表現更好。

靜態站立平衡測試中，受試者穿戴四種不同假肢膝關節在重心軌跡面積、重心軌跡長度、X最大偏移量及Y最大偏移量上無明顯差別。這可能是由于良好的假肢對線，使四種膝關節在靜態站立時均能給受試者提供站立穩定保障。

能量消耗是評價單側大腿截肢者步行能力的重要指標之一，不符合人體生物力學原理的假肢膝關節會使大腿截肢者在步行時更容易產生疲勞，從而導致步行能力的降低[15]。在室外1000 m步行測試中，智能假肢膝關節較機械四連桿假肢膝關節能量消耗降低20.5%，較氣壓控制四連桿假肢膝關節降低18.5%，與液壓單軸膝關節無明顯差別。在完成時間上，穿戴智能假肢膝關節較機械四連桿假肢膝關節時間少33.3%，較氣壓控制四連桿假肢膝關節少30.7%，較液壓單軸假肢膝關節少10.4%。由此可見，智能假肢膝關節在室外復雜路面測試中，各項參數明顯優于另外三種假肢膝關節。主要由于智能假肢膝關節可以根據路面情況及截肢者自身步行速度的變化進行動態調整，在保證受試者步行穩定的前提下，可以達到相對較快的步行速度。在經過復雜路面時，截肢者本能選擇降低步速，提高穩定性的步態模式，引起能量消耗的增大。在上樓梯及上坡短距離測試中，液壓控制假肢膝關節和智能假肢膝關節能量消耗較機械四連桿和氣壓四連桿假肢膝關節增高，可能是由于液壓缸的存在，與另兩種膝關節相比要重1倍甚至更多(如本研究中受試者使用的四連桿膝關節質量約445 g，液壓控制膝關節質量約1225 g)，這會導致步行時的患側負擔加重，引起能量消耗增高。

由此看出，穿戴智能假肢膝關節可以幫助截肢者提高步行能力水平，符合智能假肢膝關節設計和制造的初衷。在有經濟能力的前提下，在大腿假肢裝配時可優先考慮。

其他三種假肢膝關節相比，受試者長期穿戴的液壓單軸假肢膝關節和智能假肢膝關節測試結果比較相似，液壓單軸假肢膝關節在平路行走時效果更好，而智能假肢膝關節在室外復雜路面行走時適應能力更強。

由于液壓單軸假肢膝關節存在液壓控制裝置，可以產生與肌力相似的非線性阻力，可以更有效控制假肢膝關節在擺動期的運動，與機械四連桿和氣壓四連桿假肢膝關節相比，在保證安全性和穩定性的同時，可以達到更高的步行速度、更長的步行距離，提高運動效率，降低步行的能量消耗；但與智能假肢膝關節相比，液壓單軸假肢膝關節無法根據路面情況實時改變阻尼大小，在一定程度上限制步行的速度，增大了能量消耗，液壓假肢膝關節適合有一定活動量的大腿截肢者裝配。

穿戴機械四連桿膝關節與氣壓四連桿假肢膝關節有良好的靜態站立穩定性，但在步行過程中由于連桿機構特性，支撐期時間較長、擺動期時間較短，步速、步行距離及能量消耗較液壓單軸、智能假肢膝關節有一定差距，適合活動量小或年齡較大對穩定性要求高的大腿截肢者裝配。

本研究中受試者人數有限，穿戴假肢膝關節適應時間相對較短，相關結果還需今后進一步驗證。

[1]刁子龍,曹學軍,楊平,等.單側大腿截肢者步行能力研究[J].中國康復理論與實踐,2015,21(4)：470-474.

[2]Yen JW,Hill JJ,Lee MY.Revisiting the use of the amputee mobility predictor in clinical practice[J].PM R,2013,5(9)：S158.

[3]Datta D,Heller B,Howitt J.A comparative evaluation of oxygen consumption and gait pattern in amputees using Intelligent Prostheses and conventionally damped knee swing-phase control[J].Clin Rehabil,2005,19(4)：398-403.

[4]Creylman V,Knippels I,Janssen P,et al.Assessment of transfemoral amputees using a passive microprocessor-controlled knee versus an active powered microprocessor-controlled knee for level walking[J].Biomed Eng Online,2016,15(S3)：53-63.

[5]Kaufman KR,Frittoli S,Frigo CA.Gait asymmetry of transfemoral amputees using mechanical and microprocessor-controlled prosthetic knees[J].Clin Biomech(Bristol,Avon),2012,27(5)：460-465.

[6]王振平,喻洪流,杜妍辰,等.假肢智能膝關節的研究現狀和發展趨勢[J].生物醫學工程學進展,2015,36(3)：159-163.

[7]Lythgo N,Marmaras B,Connor H.Physical function,gait,and dynamic balance of transfemoral amputees using two mechanical passive prosthetic knee devices[J].Arch Phys Med Rehabil,2010,91(10)：1565-1570.

[8]Uchytil J,Jandacka D,Zahradnik D,et al.Temporal-spatial parameters of gait in transfemoral amputees：Comparison of bionic and mechanically passive knee joints[J].Prosthet Orthot Int,2014,38(3)：199-203.

[9]Jiang Y,Larson JL.IDEEA activity monitor：validity of activity recognition for lying,reclining,sitting and standing[J].Front Med,2013,7(1)：126-131.

[10]劉娜,刁興建.假肢膝關節概述[J].中國矯形外科雜志,2006,14(3)：225-226.

[11]Schmalz T,Blumentritt S,Jarasch R.Energy expenditure and biomechanical characteristics of lower limb amputee gait：the influence of prosthetic alignment and different prosthetic components[J].Gait Posture,2002,16(16)：255-263.

[12]Highsmith MJ,Kahle JT,Bongiorni DR,et al.Safety,energy efficiency,and cost efficacy of the C-Leg for transfemoral amputees：A review of the literature[J].Prosthet Orthot Int,2010,34(4)：362-377.

[13]王人成,沈強,金德聞.假肢智能膝關節研究進展[J].中國康復醫學雜志,2007,22(12)：1093-1094.

[14]張昊華,閆松華,方沉,等.用便攜式步態分析儀評估全髖關節置換術手術效果[J].醫用生物力學,2015,30(4)：361-366.

[15]Sagawa Y Jr,Turcot K,Armand S,et al.Biomechanics and physiological parameters during gait in lower-limb amputees：a systematic review[J].Gait Posture,2011,33(4)：511-526.

WalkingAbility of an Unilateral TransfemoralAmputee with Four Kinds of Prosthetic Knee Joints

DIAO Zi-long1,2,CAO Xue-jun2,3,WEI Yan-qin2,MA Xin-xin1
1.Beijing Rehabilitation Hospital,Capital Medical University,Beijing 100144,China;2.Capital Medical University School of Rehabilitation Medicine,Beijing 100068,China;3.Institute of Rehabilitation Engineering,China Rehabilitation Research Center,Beijing 100068,China

Objective To compare the walking abilities of an unilateral transfemoral amputee with four different prosthetic knee joints,to provide a reference for clinical prosthetic prescription.Methods An unilateral transfemoral amputee was asked to wear four kinds of prosthetic knee joints,mechanical four-bar,pneumatic four-bar,hydraulic and intelligent prosthetic knee joints,and evaluated with Timed Up and Go Test,indoor 6-Minute Walk Test,Static Stand Balance Test and a 1000-meter Outdoor Walking Ability Test,wearing Intelligent Device for Energy Expenditure and Activity.Results The amputee consumed the least energy and walked the fastest with intelligent prosthetic knee joint.Conclusion There are some difference in walking ability with different prosthetic knee joints.

transfemoral amputee;prosthesis;walking ability;prosthetic knee joint;assessment

CAO Xue-jun.E-mail：zkba@sina.com

R496

A

1006-9771(2017)10-1216-05

10.3969/j.issn.1006-9771.2017.10.019

[本文著錄格式] 刁子龍，曹學軍，魏艷琴，等.1例單側大腿截肢者穿戴四種假肢膝關節步行能力的評價[J].中國康復理論與實踐,2017,23(10)：1216-1220.

CITED AS：Diao ZL,Cao XJ,Wei YQ,et al.Walking ability of an unilateral transfemoral amputee with four kinds of prosthetic knee joints[J].Zhongguo Kangfu Lilun Yu Shijian,2017,23(10)：1216-1220.

中央級公益性科研院所基本科研業務費專項資金項目(No.2015CZ-19)。

1.首都醫科大學附屬北京康復醫院，北京市100144；2.首都醫科大學康復醫學院，北京市100068；3.中國康復研究中心康復工程研究所，北京市100068。作者簡介：刁子龍(1990-)，男，漢族，北京市人，碩士，主要研究方向：康復工程。通訊作者：曹學軍(1961-)，男，漢族，上海市人，碩士，研究員，副教授，主要研究方向：康復工程。E-mail：zkba@sina.com。

2015-12-02

2017-04-05)