現有膝關節助力器的若干問題及改進建議

鄭朝輝，戴雪松，錢菁

（1.浙江大學醫學院附屬第二醫院，浙江杭州 310009；2.浙江省青春醫院，浙江杭州 310020）

眾所周知，膝關節損傷對中老年人群和運動員是一種常見病，大多數中老年人膝關節都存在退行性病理改變，還有運動受傷。其表現為半月盤損傷、韌帶或肌肉受傷、骨質疏松等，輕者影響生活質量，重者要進行手術，往往在手術以后會有很長的康復治療階段，很多人常常采用拐杖支護，這當然會帶來生活不便。現在很多國家都在應用一種《膝關節助力器》并且已經成為商品，它外置在體外，而且不影響觀感，因此得到廣大患者的喜歡，但是這類膝關節助力器大多從感性經驗出發設計，對膝關節的生物力學作用原理考慮不充分，因此效果有限，使用不當還會造成傷害。因此，本文擬對現有膝關節助力器的若干問題進行總結，并借此提出改進建議，以使膝關節患者得到更好的康復保護。

1 膝關節傳力機理

膝關節是人體最完善最復雜的關節，它負重多又運動量大，是下肢活動的樞紐。膝關節屬于結構十分完善的滑膜關節，它不僅具備滑膜關節必備的關節面、關節腔和關節囊這些主要結構，而且還具有像半月板、韌帶、滑囊和脂肪墊等輔助結構。由于結構復雜，運動量大，所以其傷病率位居所有關節之首。因此，了解膝關節的生物力學性質和行為，有助于更好的理解膝關節各類損傷的根源及關節退行性改變的病理學，作為正確設計各類膝關節傷病后的康復方案、和各類人體膝關節助力器的依據。

圖1膝關節構造示意圖

現在國內外發表的，從生物力學角度來研究膝關節傳力機制的論文已經多達數百篇，本文簡單介紹有關計算模型[1-10]，將其歸納為以下幾類：

表1膝關節傳力機制模型的分類簡介

根據以上文獻，可了解到膝關節受力和運動的特點：膝關節傳力結構十分復雜，不是單靠骨骼傳力，而是靠骨骼、韌帶和肌肉的協同作用[2][3]；髕骨在運動時的軌跡不是作節點固定軸的轉動，而是復雜變化的瞬心螺旋型的空間運動曲線[4][5]；膝關節運動時韌帶具有重要作用，在運動不當時很容易受傷，因此應該加強保護[6][7]；屈曲運動時，股骨在關節接觸面相對脛骨產生后移，使上下傳力產生偏心，因此產生彎矩，造成其接觸面應力分布不均勻，在走臺階時，其最大峰值會比平均應力大十余倍，也許這是膝關節軟骨容易磨損的重要原因[8][9][10][11]。

2 已上市專利產品存在的共性問題

目前市面上已經有德國、美國以及我國自己的專利產品（見圖2）。它們的構造大致相同，即在膝蓋處設置固定軸，連接上下助力桿，它們分別用活動綁帶固定在大小腿部。這類專利產品存在一些共性問題：①沒有考慮患者膝關節運動受傷的具體情況，而是設計了一種固定的軸心連桿形式，由上述介紹可知，膝關節的運動模式并非是一個簡單的伸屈運動，而是一個兼有伸屈、滾動、滑動、側移和軸位旋轉的復雜的多自由度的運動模式。它并非圍繞著同一個固定的中心旋轉，而是在運動過程中產生多個瞬時旋轉中心。這種將旋轉中心固定的助力器產品，對關節的保護都會產生副作用，因為外置的連桿軸心不可能和人體膝關節運動彎曲時的瞬時旋轉中心總是重合，可能會加重傷情。②沒有考慮如何設法減少偏心影響和應力峰值增加，膝關節在伸屈運動時，股脛力線的作用點會向后側偏移，產生了向后側偏心，當屈曲大于90度以上時還會向內側偏移，并使接觸面減少，使膝關節受到軸向應力和力矩雙重作用，其結果是股脛關節接觸面減少，應力增加。因為應力分布不均勻而產生峰值，從而導致膝關節受傷。③沒有專門考慮對韌帶保護措施，如施加預應力使其運動時拉力減少等，而一般膝關節助力器在安裝時并不受力，要等走路和上臺階時，才通過股骨、脛骨之間的張力帶的摩擦力，依靠連桿和轉軸傳遞部分重力，在膝關節伸屈、內旋、外旋運動時相應韌帶就會受到牽拉，當以上運動速度過快、用力過猛時，會導致韌帶瞬間拉力過大而拉傷，使關節受力失去平衡，進一步導致半月板或韌帶受傷，因而膝關節保護器應該考慮對韌帶的保護。④沒有考慮運動中各種韌帶拉力的變化，無法進行有針對性的預張力的調節；膝關節在伸屈不同角度時，前后交叉韌帶張力會產生相反方向變化，在內外翻時，內外側副韌帶受力也會產生相應變化，當單向變化過大就會使某一處韌帶以及相應關節組織受傷，因為沒有考慮到這種受力變化，也就無法對膝關節進行有針對性的預調節保護。⑤沒有預警控制，腿上的張力帶松緊較難控制，且不知道帶多長時間會影響血液流通，而使腿部肌肉受到傷害，而需控制在一定時候放松幾分鐘再用。

圖2各種膝蓋助力器專利產品示意圖

3 一種新的膝關節助力器改進建議

3.1 一種新的膝關節助力器的構造說明

我們在研究了膝關節傳力機理的基礎上，針對現有膝關節助力器的問題，特設計了一種新的膝關節助力器（詳見圖3），具體構造說明見圖3、4所示，其包括固定在中間膝關節部位的保護墊（1），在保護墊外側設置了一個孔（9）以利髕骨活動和散熱，設于股骨下段和脛骨上段的多個張力圈（12-17），對稱設置在股骨兩側的上助力桿（4）和對稱設置在脛骨兩側的下助力桿（5），其上助力桿一端通過滑動鉸（10）活動連接在所述保護墊上，另一端鉸接（19）在股骨處最上端的張力圈上，當下肢運動時，滑動鉸會左右滑動，以使上下腿彎曲時傳力流暢，其偏心距也會相應產生變化，這樣也可更加適應膝關節在運動時，其旋轉中心的變化，使在任何情況下都能夠部分補償脛股間力線產生的向內偏心；其下助力桿一端通過固定鉸（11）連接在中間保護墊上，另一端鉸接（19）在脛骨處最下端的張力圈上，所述滑動鉸和固定鉸間設置一個偏心距e，使行走伸屈運動時，膝關節處的股脛間傳力處，產生一個向前的反向偏心力矩，以抵消部分膝關節伸屈運動時，產生的股骨脛骨間傳力線向后偏心的影響，使股骨脛骨間的接觸面應力分布更均勻。它在連接保護墊上下的張力圈之間設置一對斜向拉力彈簧（2、3），并在其下方的保護墊相應處設置了加勁片（6、7），安裝時先對拉力彈簧按需要進行預牽張，使膝關節處于預張力狀態，當膝關節伸屈運動時，外側彈簧進一步拉緊，內側彈簧放松，給膝關節增加了一個反向力矩，從而使韌帶的最終拉力減少，起到保護韌帶不被拉傷的作用。它在助力桿與張力圈交叉處設有套箍（18），助力桿和張力圈分別穿過套箍，并可相互自由滑動。在保護墊內側還設有智能預警裝置（21），包括用于監測膝關節處溫度的溫度傳感器，藍牙傳輸單元，和用于處理溫度傳感器獲得數據的微型處理器，以及三軸加速度傳感器，它們可通過藍牙傳輸單元，將設定的有關控制數據傳送至手機客戶端，超過閾值則發送警報至手機客戶端，從而提醒使用者需要松開張力圈，避免因張力圈太緊或者時間太久，造成散熱不良而使肌肉腫脹發熱、血液阻滯等問題。

圖3膝蓋運動助力器構造示意圖

圖4滑動鉸和固定鉸偏心連接示意圖

3.2 一種新的膝關節助力器的特點

它同樣包括固定在中間膝關節部位的保護墊，在股骨下段和脛骨上段設置了多個張力圈，以便將部分力傳遞到助力器，在股骨兩側對稱設置了上助力桿和在脛骨兩側的對稱設置了下助力桿，它們一端都鉸接在上下張力圈，但其特征之處在于：將上助力桿連接在保護墊下端的固定鉸改為滑動鉸（圖4）；其中下助力桿的上端，通過固定鉸連接在中間保護墊上，其下端鉸接在脛骨處最下端的張力圈上，在保護墊上的滑動鉸和固定鉸間設置了一個偏心距e（圖4），使行走伸屈運動時，膝關節處的股脛間傳力處，產生一個向外的反向偏心力矩，補償股骨脛骨間傳力線向內側偏心的影響，使股骨脛骨間的接觸面應力分布更均勻。

將其中一個固定鉸改為滑動鉸，據下肢運動特性，滑動槽設置成向上凹的弧形槽（圖4），當下肢運動時，滑動鉸會左右滑動，使上下腿彎曲時傳力流暢，其偏心距也會相應產生變化，這樣可更加適應膝關節在運動時，其旋轉中心的變化，使在任何情況下都能夠部分補償脛骨股骨間傳力線產生的向內側偏心。

在與保護墊連接的上下張力圈之間設置一對斜向拉力彈簧，它們分布在上下助力桿兩側，兩端和張力圈鉸接；并安裝時先對拉力彈簧按需進行預牽張，使膝關節處于預張力狀態，當伸屈運動時，外側彈簧進一步拉緊，內側彈簧放松，又給膝關節增加了一個反向力矩，并使韌帶的最終拉力減少，起到保護韌帶不被拉傷的作用。并在彈簧下設置了加勁片，以減少在彈簧預張拉時保護墊的變形。

在保護墊上還設有智能預警裝置，它包括安裝在膝關節內側，用于監測膝關節處溫度的溫度傳感器，藍牙傳輸單元，及用于處理溫度傳感器獲得數據的微型處理器，所述微型處理器通過藍牙傳輸單元將溫度傳感器獲得的溫度數據傳送至手機客戶端；通過溫度傳感器獲知膝蓋內側的溫度是否超出設定閾值，超過閾值則發送警報至手機客戶端，從而提醒使用者需要松開張力圈，避免因張力圈太緊或者時間太久，造成散熱不良而使肌肉腫脹發熱、血液阻滯等問題。

其智能預警裝置內還設有三軸加速度傳感器，它與微處理器信號連接；通過三軸加速度傳感器獲取人物運動時的加速度數據，判斷患者是否已佩戴運動保護器開始行走，并通過微處理器發送數據至手機客戶端，使其開始計時，當計時超過設定閾值時，通過手機客戶端發出警報聲或者振動方式提示警告，可避免因張力圈束綁時間太久，造成散熱不良而使肌肉腫脹發熱、血液阻滯等問題。

4 發展前景

一直以來，治療和保護膝關節的手段，除藥物以外，一個是采用人工關節，另一個是外用支撐或者外用護膝類的助力器，前者要動大手術，時效長且有較大風險；而外用支撐會影響生活質量，用一般助力器效果有限，若應用不當，反而會傷害膝蓋。因此本研究根據對膝蓋的生物力學分析，提出了改進方案，初步應用了人工智能元件進行監測控制。考慮到近幾年來國內外大數據和人工智能應用范圍的開拓，已有不少文獻介紹了人工智能在外置下肢康復機械的研究[12-14]，這些外置下肢康復機械，雖然效果不錯，但是使用很不方便，會影響生活質量，因為市場上缺少一種方便有效的膝蓋助力器，所以還有不少人正在積極研究。本研究現在是起步階段，后期可以借鑒人工智能技術在服裝中的應用技術[15-16]，比如上述文獻中介紹了智能服裝的發展分為3個階段，第1階段是將電子器件附加在服裝上，第2階段是將電子器件嵌人服裝內，第3階段是服裝本身將成為電子器件。本研究后期可以借鑒它第1階段外置的溫度傳感器、濕度傳感器和應變傳感器，設置在膝蓋助力器的外表，用于測試和信號傳遞。進一步可以模仿智能服裝將電子器件的纖維化，然后制作在助力器連接布料內部，還可以借鑒智能服裝應用的熱響應變形材料，制作固定綁帶，當綁帶太緊、時間太長而發熱，使患者不舒服時，傳感器會將信號傳給，由熱響應變形材料制作固定綁帶，使其自動放松到舒適的程度；還可借鑒智能服裝上自帶的太陽能發電和摩擦發電裝置，解決電源問題等等。對此發展前景較為樂觀。本文提出的助力器方案，最大的優點是性價比高，而且穿戴使用較方便，這是目前文獻中未提及的，但是結合運用有關人工智能技術尚在探索中。