不同弹簧伸展辅助机制在机械式四杆多中心假肢膝关节中对单侧膝上/膝下截肢者的生物力学影响

《Prosthetics and Orthotics International》：The biomechanical effect of different spring extension assist mechanisms in mechanical 4-bar polycentric prosthetic knees for unilateral above/through-knee amputees

被动膝关节辅助机制设计对创伤性单肢 above-knee/through-knee 患者步态对称性和峰值屈曲角度的影响。研究显示无奇点设计的膝关节在自选和快速步行时均表现出更高的对称性（分别提高5.2%和7.7%），峰值屈曲角度降低9.4°和9.6°。

　　本研究聚焦于假肢膝关节设计中一个关键的技术特征——延伸辅助机制（extension assist mechanism）对截肢者行走能力的影响。研究对象为单侧大腿或小腿截肢者，使用两种不同的多中心假肢膝关节，分别具有“奇异点”（singularity）和“无奇异点”设计。这些膝关节均搭配固踝缓冲跟假足（solid-ankle-cushioned-heel，SACH foot），并由受试者自身的假肢套件固定。研究目的是探讨不同延伸辅助机制对截肢者步态对称性、膝关节活动角度以及行走能力的影响，特别是在不同步速下的表现。

### 背景与意义

全球范围内，截肢者的数量庞大，尤其是单侧下肢创伤性截肢者。根据2020年的全球疾病负担报告，单侧下肢截肢者人数已达到2890万，其中东、南亚地区的比例最高，其次是西欧。对于这些截肢者而言，恢复行动能力不仅需要系统的康复训练，还依赖于合适的假肢设计。近年来，假肢技术取得了显著进展，尤其是针对大腿或小腿截肢者的多中心膝关节（polycentric knee）。这种设计相较于传统的单中心膝关节（monocentric knee）提供了更优越的稳定性、步态控制能力和更自然的运动表现。然而，尽管多中心膝关节在功能和舒适性方面有明显优势，其延伸辅助机制的设计仍然存在一些关键问题。

传统的多中心膝关节通常采用四连杆结构（4-bar linkage），其延伸辅助机制连接其中一个连杆与假肢主体。这种设计虽然能提供一定的助力，但在某些角度下会引入“奇异点”现象，即弹簧的力臂与旋转轴线重合，导致弹簧在该角度后无法提供有效的助力，反而可能使膝关节进入过度屈曲状态。这种现象在步态周期的摆动相（swing phase）尤为明显，可能影响行走的流畅性和安全性。相比之下，另一种延伸辅助机制的设计将上部与下部膝关节连接在一起，从而避免了奇异点的出现，确保弹簧在膝关节的整个运动范围内都能推动其向伸展方向运动，提升了步态的稳定性与对称性。

由于先进的微处理器控制假肢价格昂贵，且对环境条件（如防水、防尘、电力供应）有较高要求，许多资源有限的国家和地区难以普及。因此，研究适用于低收入和中等收入国家（LMICs）的机械控制假肢设计显得尤为重要。本研究旨在评估两种多中心假肢膝关节在不同延伸辅助机制下的表现，特别是对步态对称性和行走能力的影响。

### 研究方法

本研究采用重复测量设计（repeated measures design），以确保每位受试者都能在两种不同的假肢膝关节条件下进行比较。共有8名单侧大腿或小腿截肢者参与了实验，其中7人使用的是带有动态响应的微处理器控制假肢，1人使用的是机械式假肢。所有受试者均使用相同的SACH假足，以排除假足设计对结果的干扰。实验过程中，受试者分别试用两种假肢膝关节，顺序由随机安排，确保结果的客观性。

为了获取步态数据，研究团队使用了10台摄像头的VICON光学运动捕捉系统，精确记录受试者的下肢运动轨迹。系统在多个解剖标志点（如骨盆前上棘、股骨外侧髁、踝关节中心、足部特定点等）贴附反光标记，并通过算法对数据进行处理，以提取步态周期的关键事件，如足底触地（foot strike）、脚趾离地（toe off）和同侧足底再次触地（consecutive ipsilateral foot strike）。随后，使用MATLAB对运动轨迹进行滤波处理，以去除噪声并提高数据的准确性。

在数据处理阶段，研究团队通过统计参数映射（statistical parametric mapping）方法，对两种假肢膝关节在不同步速下的步态参数进行了系统分析。其中包括步长、步宽、步频、站立时间、步态周期百分比等指标。此外，研究还评估了膝关节的屈曲角度和对称性，以判断假肢膝关节是否能够提供更自然、更对称的步态。为了确保数据的统计学意义，研究采用了配对t检验（paired t-test）和Wilcoxon检验（Wilcoxon test）对参数进行比较，并将显著性水平设定为0.05。

### 研究结果

研究结果显示，使用无奇异点设计的假肢膝关节在步态对称性和膝关节活动角度方面表现优于具有奇异点设计的膝关节。在自选步速（self-selected speed）下，无奇异点设计的膝关节屈曲角度的对称性提高了5.2%（p=0.025），而在快速行走（fast speed）下，这一数值进一步上升至7.7%（p=0.003）。这些结果表明，无奇异点设计能够更有效地减少膝关节在摆动相中的过度屈曲，从而改善步态的对称性。

此外，无奇异点设计的膝关节在站立时间方面也表现出优势。在自选步速下，无奇异点设计的假肢膝关节站立时间占比增加了2.1%（p<0.001），而在快速行走条件下，这一比例上升至2.3%（p=0.002）。这说明无奇异点设计有助于增强截肢者对假肢的依赖性，使他们在行走过程中能够更长时间地保持站立状态，从而提升行走的稳定性。

在步长方面，无奇异点设计的假肢膝关节在快速行走条件下表现出更高的步长（0.1米，p=0.015），这可能与膝关节在摆动相中更稳定的伸展有关。然而，步宽、步频和步幅（stride length）等参数在两种设计之间没有显著差异，说明这些指标可能受其他因素（如个体运动习惯、假肢适配情况等）的影响更大。

### 讨论与分析

研究结果表明，无奇异点设计的假肢膝关节在多个方面优于具有奇异点设计的膝关节。首先，它能够有效减少膝关节在摆动相中的过度屈曲，从而提升步态的对称性。这不仅有助于改善行走的流畅性，还可能降低对完整肢体的额外负荷，进而减少因步态不对称而导致的关节损伤风险。

其次，无奇异点设计的膝关节在站立时间方面表现更优，这表明该设计可能有助于提高截肢者的行走信心。在摆动相中，膝关节需要保持一定的伸展状态，以便顺利完成脚趾离地动作。无奇异点设计通过持续的伸展助力，使膝关节在更广泛的运动范围内保持稳定，从而延长了站立时间，提升了整体的行走效率。

值得注意的是，尽管无奇异点设计在步态对称性和站立时间方面表现良好，但其对自选步速的影响并不显著。这可能意味着在日常行走中，这种设计并未显著改变截肢者的步速选择，但当需要快速行走时，其优势变得更加明显。例如，在快速行走条件下，无奇异点设计的膝关节能够帮助截肢者更快地完成步态周期，因为他们不需要等待膝关节从屈曲状态恢复到伸展状态。

此外，研究还指出，膝关节的运动表现受到多种因素的影响，包括摩擦力、弹簧刚度（spring stiffness）和弹簧作用线（spring line of action）。在本研究中，两种假肢膝关节均采用了无摩擦设计，并将弹簧刚度设定为中等水平，以确保数据的可比性。然而，这些因素在实际应用中可能因个体差异而有所不同，因此未来的研究可以进一步探讨它们对奇异点效应的具体影响。

### 临床意义与未来方向

从临床角度来看，无奇异点设计的假肢膝关节可能为截肢者提供更安全、更自然的行走体验。由于其能够减少膝关节在摆动相中的过度屈曲，这种设计可能有助于降低截肢者在行走过程中对完整肢体的额外负荷，从而减少相关并发症的风险。此外，该设计还可能提升截肢者的行走信心，使他们更愿意在日常生活中进行更多活动，提高生活质量。

然而，研究也指出了一些局限性。首先，样本量较小，仅包括8名受试者，这可能影响研究结果的普遍适用性。因此，未来的研究需要扩大样本规模，以确保结论的统计学显著性和临床意义。其次，本研究仅评估了单一设计变量（即是否具有奇异点），而实际假肢设计往往涉及多个变量的综合优化。因此，未来的研究可以进一步探讨不同设计变量之间的相互作用，以及它们对步态和行走能力的综合影响。

最后，研究还提到，假肢膝关节的运动表现不仅取决于其机械结构，还受到使用环境和个体适应性的影响。例如，在某些情况下，假肢膝关节需要在静止状态下保持一定的屈曲角度，以防止膝关节在坐下时突然伸展造成不适。因此，未来的假肢设计应更加注重功能的全面性，确保在不同活动场景下都能提供良好的支持和控制。

综上所述，本研究为假肢膝关节的设计提供了重要的实证依据，特别是在无奇异点设计的应用方面。通过优化延伸辅助机制，可以显著改善截肢者的步态对称性和行走能力，为他们在日常生活中提供更安全、更自然的运动体验。然而，研究结果的推广仍需进一步验证，未来的工作应结合更多临床数据和实际应用环境，以推动假肢技术的持续发展。