大腿假肢接受腔的研究進展

1、大腿假肢接受腔的研究進展顏功興（重慶市中西醫(yī)結(jié)合康復(fù)醫(yī)院，重慶 400013） 假肢行業(yè)是為肢殘者生產(chǎn)裝配假肢、矯形器及康復(fù)器具的特殊產(chǎn)業(yè)。根據(jù)全國殘疾人抽樣調(diào)查的結(jié)果推斷，目前我國現(xiàn)有殘疾人約6000萬，其中肢體殘疾人877萬，這些肢體殘疾人需要裝配假肢或矯形器械，才能達到生活自理和從事適當(dāng)?shù)膭趧?，其中肢體殘疾人中至少有70萬人需要安裝假肢，有數(shù)百萬人需要矯形器和輔助器具。但據(jù)初步統(tǒng)計，每年只有約5.7萬人新裝或更換假肢，仍有70%以上的截肢患者沒有安裝假肢，這些沒有安裝假肢的患者主要是貧困地區(qū)和經(jīng)濟欠發(fā)達的農(nóng)村1。 一、假肢接受腔及其分類假肢接受腔是連接殘肢與假肢的腔體部件，包容殘肢，并與

2、殘肢直接接觸。接受腔作為人體和機械假肢接受腔的受力分析和計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)之間生物力學(xué)的界面，是截肢者身體和假肢之間的直接聯(lián)結(jié)媒體，人體和假肢間的力都是在殘肢和接受腔的接觸面上傳遞的，因此，接受腔是假肢中最重要和最關(guān)鍵的部件5。 按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14722-1993，將接受腔分為骨盆包容式接受腔、四邊形接受腔和坐骨包容式接受腔。另外我國臺灣德林義肢公司采用的一種接受腔為五邊形接受腔，由于某種原因，關(guān)于這種接受腔的理論報道目前還很少，但從患者的使用情況看，舒適程度也較好。目前國內(nèi)、國際市場大多數(shù)系統(tǒng)選用的是四邊形接受腔或坐骨包容接受腔。 四邊形接受腔理論起源于20世紀(jì)50年代6，7，因外形近

3、似四邊形而得名。其橫截面形狀見圖1所示，四邊形接受腔理論是建立在大腿肌肉群的受力狀態(tài)與運動機能條件下，應(yīng)用生物力學(xué)對機能解剖學(xué)分析后設(shè)計出的接受腔形狀。在接受腔后側(cè)面的近身側(cè)邊緣處有一個與地面平行的寬約25mm的坐骨椅。人體的很大部分體重經(jīng)由坐骨結(jié)節(jié)傳遞到坐骨椅上，另外，臀肌也將垂直載荷傳遞到這一部位8。圖1 四邊形接受腔坐骨包容形(Ischial containment socket)接受腔起源于20世紀(jì)80年代9。從外形上看，這種接受腔采用的是橢圓形而不是四邊形外邊緣，接受腔沒有坐骨椅，其輪廓將坐骨結(jié)節(jié)包容在接受腔內(nèi)，因此這種接受腔也稱為IC接受腔。坐骨包容接受腔的另一個重要特征是其內(nèi)外側(cè)

4、距離比四邊形接受腔窄得多，而且其邊緣與未經(jīng)壓縮的軟組織輪廓線接合的很好，但其制作思想與四邊形接受腔的生物力學(xué)原理并不沖突8，見圖2。圖 2 坐骨包容接受腔 從兩種接受腔的使用情況看，歐洲等一些西方國家的患者現(xiàn)在趨向于選擇坐骨包容形接受腔。我國由于假肢行業(yè)的起步較晚，而四邊形接受腔理論較為成熟，其結(jié)構(gòu)也比較適合亞洲人體形，目前國內(nèi)應(yīng)用較多的還是四邊形接受腔。二、假肢接受腔研究的發(fā)展與現(xiàn)狀 一具假肢通常由三部分組成，即仿人體功能并能承載人體重量的支撐部件、仿人體外形的裝飾部件(以上部件可以按標(biāo)準(zhǔn)批量生產(chǎn))和假肢接受腔2。容納殘肢的接受腔是最關(guān)鍵的部件，起連接殘肢與支撐部件的作用，對有效的擴展截肢者

5、的運動功能有著極其重要的作用。由于每個截肢者的殘肢形狀、肌力等條件均有不同，在假肢接受腔制作過程中，必須因人而異、因殘而異。手工制作假肢接受腔的工藝相當(dāng)復(fù)雜，假肢穿戴的舒適程度與制造者的經(jīng)驗、手法、技巧等因素有關(guān)，有時一具假肢要做幾個甚至更多接受腔才能使患者滿意，這也是造成假肢價格昂貴的原因之一。由于肢殘患者穿戴假肢后會產(chǎn)生習(xí)慣性和依賴性，在更換假肢時希望原來的制作師給自己制作接受腔。如何能提高接受腔一次制作的成功率、保存并再現(xiàn)接受腔的完整數(shù)據(jù)，以備以后更換接受腔時參考，是假肢研究者尋求解決的共性問題。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，計算機輔助設(shè)計和制造(CAD/CAM)技術(shù)在20世紀(jì)80年代初開始用于

6、假肢行業(yè)3。十幾年的發(fā)展，CAD/CAM在接受腔的設(shè)計和制造中有了很大的進展。發(fā)達國家己于20世紀(jì)90年代進入假肢、矯形器專用CAD/CAM的應(yīng)用階段。目前，德國、美國、加拿人、瑞典等國均有商業(yè)化系統(tǒng)出售，但其價格昂貴不符合我國國情4。為填補國內(nèi)空白，民政部假肢科學(xué)研究所和河北工業(yè)人學(xué)聯(lián)合開發(fā)了假肢接受腔計算機輔助設(shè)計和制造系統(tǒng)，系統(tǒng)整體達到國際先進水平，并且已經(jīng)通過了國家鑒定?，F(xiàn)在己經(jīng)完成的計算機輔助設(shè)計部分己經(jīng)能夠根據(jù)測量的截肢者殘肢圍長和截肢者身體狀況、年齡、職業(yè)等選擇接受腔的形狀，提供形狀修改的功能，但還不具備直接判斷接受腔形狀好壞的功能，即不能提供截肢者穿著接受腔的情況，不具備智能設(shè)

7、計。為了進一步提高接受腔的一次制作成功率，需要在現(xiàn)有的CAD部分設(shè)計出接受腔形狀后，對接受腔的形狀進行受力分析，對不符合受力分布要求的地方及時修改，使設(shè)計出的接受腔盡可能的接近病人穿戴舒適時的力學(xué)要求。目前國外在這方面的研究己有十幾年歷史，但還沒有發(fā)現(xiàn)將受力分析應(yīng)用到CAD中的報道，其研究基本還處于實驗室階段，是未來假肢行業(yè)研究的一個熱點，近年來一直受到眾多研究者的關(guān)注。三、假肢接受腔受力分析研究的意義 假肢接受腔起到連接人體和假肢的作用，良好的接收腔可以擴展截肢者的運動、生活自理能力。但由于殘肢軟組織對外界應(yīng)力的容忍度有限，限制了假肢功能。事實上，殘肢周圍的軟組織不太適合承受載荷，局部載荷過

8、大將導(dǎo)致疼痛和皮膚擦傷。因此，在下肢假肢接受腔的設(shè)計中設(shè)計恰當(dāng)?shù)慕邮涨恍螤畛闪朔稚⑤d荷的關(guān)鍵部分。接受腔形狀并不是殘肢形狀的簡單再現(xiàn)，而進行了一定的改變，以便使力在接受腔和殘肢之間進行有效的傳遞。接受腔形狀的改變應(yīng)考慮以下因素：殘肢形狀、軟組織的壓力容忍度、完成支撐和控制功能應(yīng)滿足的特殊生物力學(xué)要求等。當(dāng)前接受腔設(shè)計中，采用什么樣的接受腔形狀主要取決于設(shè)計師的經(jīng)驗。要獲得一具滿意的接受腔只能采用不斷嘗試的方法。 在當(dāng)代假肢接受腔輔助設(shè)計與制造中融入了優(yōu)秀設(shè)計師的知識和經(jīng)驗。系統(tǒng)一般包括三部分：輪廓形狀的采集和數(shù)字化；根據(jù)殘肢的形狀來設(shè)計接受腔的形狀；將設(shè)計好的接受腔數(shù)據(jù)通過CAM系統(tǒng)制造出接受

9、腔陽?！，F(xiàn)在CAD/CAM系統(tǒng)的實現(xiàn)從硬件角度已經(jīng)不存在問題，系統(tǒng)要解決問題的難點在于怎樣根據(jù)殘肢形狀獲得合適的接受腔形狀，即采用什么樣的接受腔才能有效分布載荷，傳遞運動，使病人感覺舒適。由于缺乏定量的評估方法，接受腔形狀的修改主要依據(jù)假肢制作師的土觀經(jīng)驗和用戶的反饋信自、。 要改進接受腔形狀設(shè)計，可以采取多種方法，但最基本的原則就是將小面積承載的集中載荷變成整個接受腔承載的分布載荷。進行假肢接受腔受力分析的研究可以幫助設(shè)計師了解所設(shè)計的接收腔和產(chǎn)生的生物力學(xué)后果之間的關(guān)系，包括接受腔和殘肢之間的壓力分布，預(yù)估舒適程度，了解潛在的生物力學(xué)合理性，推動假肢行業(yè)發(fā)展和社會進步，因此具有十分重要的理

10、論意義和現(xiàn)實意義。四、目前假肢接受腔研究的熱點 在過去的幾年中，雖然下肢假肢接受腔技術(shù)有了很大發(fā)展，但相應(yīng)的生物力學(xué)基本原理，特別是殘端和接受腔之間相互作用的生物力學(xué)關(guān)系還沒有在量上被嚴(yán)格認(rèn)識。針對目前假肢接受腔輔助設(shè)計與制造系統(tǒng)的不足，為了進一步改進接受腔的設(shè)計，提高制作成功率，現(xiàn)在的研究者們針對四邊形接受腔進行了大量的受力分析的研究，研究內(nèi)容主要包括以下幾個方面：1分析假肢接受腔的設(shè)計理論。在人體運動學(xué)原理的基礎(chǔ)上，以四邊形接受腔為例介紹了接受腔的設(shè)計原理，并對步態(tài)周期不同階段殘肢和接受腔之間的受力情況進行了分析。對假肢接受腔的設(shè)計理論進行深入研究，對于分析大腿假肢接受腔的基本機能和設(shè)計原

11、理、接受腔各壁的特點、步態(tài)周期各階段殘肢各部分的受力情況等，都起到理論的指導(dǎo)。2.通過受力分析設(shè)備，對殘肢/接受腔界面的受力情況進行實際測量。通過對所測數(shù)據(jù)的分析，總結(jié)靜態(tài)和動態(tài)步態(tài)周期各階段殘肢表面的受力情況，并將實際測量結(jié)果與理論分析進行了比較。應(yīng)用先進的受力分析儀對患者穿戴接受腔的情況進行應(yīng)力測量。通過對所測數(shù)據(jù)的分析，研究在靜態(tài)和動態(tài)兩種狀態(tài)下舒適穿戴接受腔時殘肢表面的受力情況以及動態(tài)情況下前后側(cè)和左右側(cè)的穩(wěn)定性。3.對殘肢/接受腔系統(tǒng)進行理論建模，通過對模型的分析，研究摩擦力在接受腔承載中的重要作用。 對殘肢/接受腔系統(tǒng)建立簡化的理論模型，研究界面剛度、預(yù)應(yīng)力、止應(yīng)力和剪應(yīng)力的理論計

12、算方法。在計算殘肢表面所受正應(yīng)力和剪切力的情況下，論證摩擦力在支撐體重、緩解殘肢受力中發(fā)揮的重要作用，研究合適的摩擦系數(shù)以及材料的選擇對接受腔合理設(shè)計的重要性。4.假肢接受腔的有限元分析10。根據(jù)有限單元法的基本思想及其將其應(yīng)用到接受腔應(yīng)力分析中的優(yōu)點，分析假肢接受腔各部分參數(shù)的獲得方法及試驗過程，并論證有限元分析的有效性及將其融入假肢接受腔CAD/CAM系統(tǒng)的意義。 從有限元原理，探討了進行假肢接受腔有限元分析的可行性、復(fù)雜性、優(yōu)越性。應(yīng)用有限元分析軟件描繪殘肢表面以及內(nèi)部的受力情況。并將其融入接受腔的設(shè)計過程將大大提高設(shè)計成功率。因此該方法成為近年來國際上接受腔/殘肢系統(tǒng)受力分析的一個熱點

13、，是未來假肢行業(yè)的一個重要發(fā)展方向。參考文獻1張曉玉.下肢假肢北京：民政部假肢與矯形器制作師培訓(xùn)教材，1997年.2舊澤村誠志.假肢學(xué).北京：中國社會出版社，1992年.236-2483張明.下肢假肢接受腔的CAD/CAM和有限元分析.全國第5屆殘疾人康復(fù)工程、全國第3 屆康復(fù)醫(yī)學(xué)工程學(xué)術(shù)研討會學(xué)術(shù)會議論文集.北京：1999年.45-474范愛紅，假肢接受腔計算機輔助設(shè)計：碩士學(xué)位論文河北工業(yè)大學(xué)：河北工業(yè)大學(xué)研究生部，2001年5刁習(xí)建.氣壓式小腿接受腔的應(yīng)用分析.全國第5屆殘疾人康復(fù)!_程、全國第三屆康復(fù)醫(yī)學(xué)工程學(xué)術(shù)研討會學(xué)術(shù)會議論文集.北京：1999年.34-366Radcliffe,

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