（生物医学工程专业论文）基于模拟膝关节僵直的步行器助行上肢力学研究.pdf

中文摘要 随着生物医学工程和康复医学的飞速发展，步行器在膝关节僵直患者重建站 立和行走功能的康复治疗中发挥着越来越重要的作用。因此，对于康复行走效果 的评估成为亟待解决的研究课题。由于步行器行走过程中的稳定性需要依靠上肢 力量的调节来获得，所以行走效果评估的前提是清楚了解膝关节僵直患者步行器 助行过程中的上肢三维力学状况，而目前有关研究尚较少开展。本文即旨在该领 域进行创新性探索研究。 步行器助行力学研究包括上肢力学数据提取和力学模式分析两部分。本文自 行搭建了基于柄反作用矢量( h r v ) 的步行器测力系统实验测试平台；设计了模拟 膝关节僵直实验方案；采集了l5 名健康年轻人在模拟不同膝关节僵直模式下的 步行器助行上肢三维力学数据；利用统计学方法对受试者单位步态周期内的上肢 h r v 特征参数进行了显著性差异分析；并分析和讨论了不同膝关节僵直模式对 于上肢力的影响；在此基础上，还针对不同僵直模式以h r v 为特征向量进行了 基于支持向量机( s v m ) 的模式识别研究，进一步探讨了不同僵直模式之间的h r v 特征差异性。 本文研究结果表明：膝关节僵直会对患者在步行器助行过程中上肢力学状况 产生较大的影响；同时也发现，对于单侧膝关节僵直患者，在其先迈患侧腿的半 个单位步态周期内，膝关节僵直对其上肢健侧手水平力、健侧手垂直力以及患侧 手垂直力产生影响较小；统计学分析和s v m 算法能够有效地识别不同膝关节僵 直模式下上肢力学状况的特征差异，其中s v m 在使用非线性核函数时较线性核 函数更能有效地提取h r v 中的非线性信息。以上研究结果将有助于康复行走效 果的评估。 关键词：膝关节僵直步行器柄反作用矢量( h r 统计学分析支持向量机 ( s v m ) a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fb i o m e d i c a l w a l k i n ga i d sh a v eb e e np l a y i n gam o r ea n d o ft h es t a n d i n ga n dw a l k i n gf u n c t i o n s o ， e n g i n e e r i n ga n dr e h a b i l i t a t i o nm e d i c i n e ， m o r es i g n i f i c a n tr o l ei nt h er e c o n s t r u c t i o n t h ee v a l u a t i o no ft h ew a l k i n ge f f e c th a s b e e nah o tp r o b l e mw h i c hi sn e e d e dt ob ei n v e s t i g a t e di m m e d i a t e l y a tp r e s e n t ，t h e r e a r ef e wr e s e a r c h e sa b o u tt h es i t u a t i o no ft h eu p p e re x t r e m i t yf o r c ed u r i n gt h ea s s i s t i v e w a l k i n gw h i c hc a np r o v i d eap r a c t i c a lm e a n i n gf o rt h i sr e s e a r c h t h er e s e a r c ho fu p p e re x t r e m i t yf o r c ed u r i n gt h ea s s i s t i v ew a l k i n gi n c l u d e st w o p a r t s ：t h ec o l l e c t i o no ft h ef o r c ed a t aa n dt h er e s e a r c ho ff o r c em o d e t h i st h e s i si s b a s e do nak n e ei o i n ts t i f f n e s ss i m u l a t i o ne x p e r i m e n ti nw h i c hw eu t i l i z ea s p e c i a l d e s i g n e dw a l k e rd y n a m o m e t e rs y s t e mw h i c hi sd e s i g n e db yo u r s e l v e sa st h e t e s t i n gf l a t t h r o u g ham u l t i - c h a n n e ls t r a i ng a u g eb r i d g en e t w o r ki n s t r u m e n t e do nt h e w a l k e rf r a m e ，w ec o l l e c tt h eh r vd a t ao f15h e a l t h yy o u t h si nf o u rd i f f e r e n ts t i f f n e s s m o d e s a n di nt h i sr e s e a r c h ，as i g n i f i c a n td i f f e r e n c ea n a l y s i so fh r vc h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e r sw a sc a r r i e do u tb yu s i n gt h es t a t i s t i c a la n a l y s i sm e t h o d t h ed i s c u s s i o n s a n da n a l y s i sw e r em a d ea b o u tt h ee f f e c t se x e r t e do nu p p e re x t r e m i t i e sf r o md i f f e r e n t s t i f f n e s sm o d e s o nt h eb a s i so ft h es t a t i s t i c a la n a l y s i s ，as v mm o d er e c o g n i t i o n i n v e s t i g a t i o no fd i f f e r e n ts t i f f n e s sm o d e s w a s m a d eb yu s i n gh r va st h ee i g e n v e c t o r t h er e s u l t so ft h i sr e s e a r c hi n d i c a t et h a tt h ek n e ej o i n ts t i f f n e s sw i l lh a v eag r e a t i n f l u e n c eo nt h es i t u a t i o no ft h eu p p e re x t r e m i t yf o r c ed u r i n gt h ea s s i s t i v ew a l k i n g i t i sa l s oc o n c l u d e dt h a tf o rt h ep a t i e n t sw h oh a v eo n l yo n el e gd y s f u n c t i o n ，t h ek n e e j o i n ts t i f f n e s sh a sl i t t l ei m p a c to ns o m ev e c t o r so fh r v i n c l u d i n gt h eh o r i z o n t a lf o r c e o nh e a l t h ys i d eh a n d ，t h ev e r t i c a lf o r c eo nh e a l t h ys i d eh a n da n dt h ev e r t i c a lf o r c eo n a f f e c t e ds i d eh a n d t h r o u g hr e s e a r c h e s ，w ec a nc o n c l u d et h a tt h es t a t i s t i c a la n a l y s i s m e t h o da n ds u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ( s v m ) a r ee f f e c t i v et o o l si nt h er e s e a r c ho f d i f f e r e n c e so fu p p e re x t r e m i t yf o r c ea td i f f e r e n tk n e ej o i n ts t i f f n e s sm o d e s a n di ti s a l s of o u n d e dt h a tt h en o n 1 i n e a rk e r n e lf u n c t i o ns v mi sm o r ee f f e c t i v et h a nt h el i n e a r k e r n e lf u n c t i o ns v mi no b t a i n i n gt h en o n l i n e a ri n f o r m a t i o ni nh r v a n da l lt h e r e s u l t sa b o v ew i l lb eh e l p f u lt ot h e e v a l u a t i o no ft h ee f f e c t so fr e h a b i l i t a t i o nw a l k i n g k e yw o r d s ：k n e e j o i n ts t i f f n e s s ，w a l k i n ga i d s ，h a n d l er e a c t i o nv e c t o r ( r m v ) ， s t a t i s t i c a la n a l y s i s ，s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ( s v m ) 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：彳铁冲吣 签字日期：形咖尽年6 月l r 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞蕉鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 微啼心 签字日期：1 呐鼋年月牛日 导师签名确 导师签名：本桫 签字日期： 。g 年 天津大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 膝关节是人体的重要关节之一。它有传递负荷、保存动量和提供包括小腿在 内的活动动力匹配的功能。通常将由于下肢骨折长期制动、膝关节及关节周围创 伤或炎症引起关节滑动装置纤维化、挛缩、粘连而导致的僵直、功能障碍称为膝 关节僵直( k n e ej o i n ts t i f f n e s s ) ，又称为屈膝功能障碍。临床上表现为膝关节屈曲 受限甚至伸直位僵直，股四头肌挛缩、弹性及活动度减小，髌骨活动度减小或消 失，给患者的生活、工作带来诸多不便，有的甚至终生病残。据有关调查显示， 在医疗发达国家，因关节周围创伤造成的膝关节僵直可高达l1 ，医疗欠发达 的国家或地区可能更高【l 】。因此，膝关节僵直患者已经逐渐成为一个亟待关注的 特殊社会群体。 近年来，膝关节僵直的诊断、治疗取得了一定的进展，但完全性的康复仍是 目前尚未完全解决的难题之一。传统的保守治疗常难奏效，手术松解术后功能锻 炼的好坏常直接影响到治疗效果。因此，为了改善患者的生活质量，最大限度的 恢复其功能，对膝关节僵直病人进行长期的康复治疗是非常必要的，而重建站立 和行走功能是康复工作中最重要的内容。随着现代生物力学、生物工程学的发展， 应用矫形器特别是步行器对膝关节僵直患者进行康复性治疗有了明显进步。 步行器是用于临床康复的一种相对比较简单的助行装置，可提供患者外在的 机械支持和减少下肢的荷重。从操作力源上步行器可划分为3 类：( 1 ) 动力步行 器一由人体外部动力驱动的步行器；( 2 ) 功能性电刺激步行器一通过电刺激使下 肢功能丧失或部分丧失的患者站立行走的步行器；( 3 ) 无动力步行器一无人体外 部力源，使用者利用自身体能操作的步行器【2 】。应用矫形器进行站立和步行训练 能延缓肌肉萎缩，防止痉挛和挛缩的发生，减少骨质疏松。改善膀胱功能，防止 压疮和深静脉血栓形成，增强心肺功能【3 】。既然步行器在膝关节僵直患者康复性 治疗中具有重要的意义，如何准确全面地分析评价康复行走效果就成为亟待解决 的临床课题。 所谓行走效果是指行走过程的质量。行走效果可以分解为两个部分：运动性 和稳定性，运动性描述行走过程的运动质量，而稳定性描述行走过程的稳定质量。 如果能够找到并制定出衡量针对这二者的质量标准，行走效果也就可以被量化出 第一章绪论 来。而对于行走效果的分析评估研究也是集中在这些相应的衡量指标上。从上世 纪九十年代初开始，已经陆续有一些文献报道了这方面的相关研究进展： 19 9 0 年，p r e n t i d ea m ( i n t e r n a t i o n a la t o m i ce n e r g ya g e n c yv i e n n a ) 用同位素 h y d r o g e n ( 2 h ) 或o x y g e n ( 1 8 0 ) 在体内的代谢量来计算能量消耗，以能量消耗为指标， 对行走效果进行了评价【4 1 。 19 9 3 年，p a t t e r s o ns m ，k r a n t zd s 和m o n t g o m e r yl c ，利用电子角度计测量 关节活动角度，计算出关节活动的角度，来对行走效果进行评价【5 】。 1 9 9 6 年，c h i l s a nt a b e rs ，r i m me b 和s t a m p e rm j 用测验调查法，通过让患 者对自己生活习惯和运动习惯进行评价，从而获得对行走效果的评估【6 】。 1 9 9 6 年，b l a c ka e ，c o w a r dw a 和c o l et j ，利用双标记水分子测量法对患者 在步行中的能量消耗进行了测定，作为行走效果的评价指标【7 】。 2 0 0 0 年，高怀民，瓮长水和余增志等以最大步行速度为衡量指标，对患者 的步行能力进行了评价嘲。 2 0 0 1 年，g f o h l e rm ( v i e n n au n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y , a u s t r i a ) 设计了带有测力 曲柄的测试踏板，进行运动训练的静态和动态测量，以肌肉的驱动力水平来评估 效果【9 1 。 我们不难发现，在以往的行走效果研究中，衡量指标实际上主要集中在患者 的步态、步行能力、能量消耗、运动生理参数的改变以及自体感受这几个方面， 而并没有涉及行走过程中患者的上肢三维力学状况。这也就引出了本课题的研究 意义。 1 2 研究意义 通过对膝关节僵直患者在步行器助行过程中上肢动力学状况进行研究，尤其 是鉴别使用者在其步态周期不同阶段的上肢力量需求，可以验证和疲劳有关的失 稳危险区间，量化行走质量，并在步态训练和日常生活中减少步行器使用风险， 对未来临床康复中的步态训练策略起到有益的帮助。 此外，通过在不同膝关节僵直模式下，对患者的上肢三维力进行模式识别研 究，可以找到不同类型膝关节僵直患者在步行器助行过程中上肢力学方面的区 别，从而进一步确定膝关节僵直对于助行上肢力学状况的影响。 另外，通过上肢动力学的研究，可以对不同的步行器使用模式有针对性的加 以鉴别，以了解使用者的不同需求，在步行器的结构设计中加以考虑。 天津大学硕士学位论文 1 3 研究内容 根据长期的临床观察和膝关节僵直康复治疗经验可知，由于患者膝关节活动 度的减少或者消失，造成其下肢自主运动功能的下降，膝关节僵直患者行走过程 中的稳定性不得不依靠步行器来提供。这就需要依靠患者上肢的调节，借助步行 器消除行走不稳定性，来重新获得较稳定的步态。既然上肢力在步行器助行过程 中具有重要的作用，那么对患者上肢力的研究也显得尤为重要。 。 本文基于一套实验室自行搭建的步行器测力系统来获得膝关节僵直患者在 步行器助行过程中的动态上肢三维力数据。该系统利用安装在标准步行器上的 1 2 导联应变片电桥网络进行柄反作用矢量( h a n d l er e a c t i o nv e c t o r , h r v ) 的测量， 而柄反作用矢量正是患者与步行器间的所有交互作用的体现。 作为前期应用基础性研究，本文采用对下肢关节活动正常人实施膝关节夹板 固定的办法来模拟膝关节僵直患者的被试行走模型。该模型具有与膝关节僵直患 者相同的膝关节活动度减少或消失的特点。通过对模拟膝关节僵直的被试者进行 步行器助行实验，可以采集到与真实膝关节僵直患者助行状况十分相似的动态上 肢三维力学数据，并由此计算得到上肢h r v 数据。 通过对所得上肢h r v 数据进行归一化及相关处理后，需对受试者单位步态 周期内h r v 各分量力进行统计学分析，以研究在不同膝关节僵直模式下h r v 各 分量的显著性差异，从而找出僵直模式与上肢力变化的对应关系。 考虑到所用h r v 特征参数指标仅反映了步态周期中个别时刻h r v 参数在模 式鉴别中的作用，忽视了步态周期中任一时刻h r v 信息的敏感性，本文还对步 行器助行上肢力进行了基于支持向量机( s v m ) 的力学模式研究，希望通过不同僵 直模式间的识别研究，可以发现膝关节僵直对于患者步行器助行过程中上肢力的 影响。 上述基本研究内容将在后续第二至第五章节中作详细介绍，其中第二章介绍 有关膝关节僵直的病因及康复方法等基本知识；第三章重点阐述本文所搭建的步 行器测力系统结构、原理及相关指标等；第四章详细说明模拟膝关节僵直的实验 方案设计和实施结果以及上肢三维力的统计学分析；第五章主要研究基于s v m 的h r v 力学模式，并给出研究结论；第六章为全文研究总结与展望。 第二章膝关节僵直基本知识概述 第二章膝关节僵直基本知识概述 膝关节是人体最大、结构昂复杂的关节。其关节面大、杠杆作用强、负重多、 相对欠稳定的特点，使膝黄节成为人体重要而又容易损伤的关节。临床实践证明， 膝关节并节内或并节周围组织的损伤，均可引起关节僵直给患者带来极大的痛 苦和生活的不便。因此，对于广大的膝关节僵直患者，后期的康复过程将成为其 生活质量的保证，尤其是站立和行走的康复训练更是其回归正常生活的重要途 径。 2 1 膝关节 膝关节( k n e e j o i n t ) 由股骨内、外侧髁和胫骨内、外侧髁以及髌骨构成，为人 体最大且构造最复杂，损伤机会亦较多的关节。膝关节解剖结构如图2 1 所示。 一? ：! 警 图2 】膝关节正中欠状切面图 天津大学硕士学位论文 关节囊较薄而松弛，附着于各骨关节软骨的周缘。关节囊的周围有韧带加固。 前方的叫髌韧带，是股四头肌肌腱的延续( 髌骨为该肌腱内的籽骨) ，从髌骨下端 延伸至胫骨粗隆，在髌韧带的两侧，有髌内、外侧支持带，为股内侧肌和股外侧 肌腱膜的下延，并与膝关节囊相编织；后方有胭斜韧带加强，由半膜肌的腱纤维 部分编入关节囊所形成；内侧有胫侧副韧带，为扁带状，起自内收肌结节，向下 放散编织于关节囊纤维层；外侧为腓侧副韧带，是独立于关节囊外的圆形纤维束， 起自股骨外上髁，止于腓骨小头。 关节囊的滑膜层广阔，除关节软骨及半月板的表面无滑膜覆盖外，关节内所 有的结构都被覆着一层滑膜。在髌上缘，滑膜向上方呈囊状膨出约4 厘米左右， 称为髌上囊。于髌下部的两侧，滑膜形成皱襞，突入关节腔内，皱襞内充填以脂 肪和血管，叫做翼状襞。两侧的翼状襞向上方逐渐合成一条带状的皱襞，称为髌 滑膜襞，伸至股骨髁间窝的前缘。 由于股骨内、外侧髁的关节面呈球面凸隆，而胫骨髁的关节窝较浅，彼此很 不适合，在关节内，生有由纤维软骨构成的半月板。半月板的外缘较厚，与关节 囊紧密愈着，内缘薄而游离；上面略凹陷，对向股骨髁，下面平坦，朝向胫骨髁。 内侧半月板大而较薄，呈“c 形，前端狭窄而后份较宽。前端起于胫骨髁间前 窝的前份，位于前交叉韧带的前方，后端附着于髁间后窝，位于外侧半月板与后 交叉韧带附着点之间，边缘与关节囊纤维层及胫侧副韧带紧密愈着。外侧半月板 较小，呈环形，中部宽阔，前、后部均较狭窄。前端附着于髁间前窝，位于前交 叉韧带的后外侧，后端止于髁间后窝，位于内侧半月板后端的前方，外缘附着于 关节囊，但不能腓侧副韧带相连。半月板具有一定的弹性，能缓冲重力，起着保 护关节面的作用。由于半月板的存在，将膝关节腔分为不完全分隔的上、下两腔， 除使关节头和关节窝更加适应外，也增加了运动的灵活性，如屈伸运动主要在上 关节腔进行，而屈膝时的轻度的回旋运动则主要在下腔完成。此外，半月板还具 有一定的活动性，屈膝时，半月板向后移，伸膝时则向前移。在强力骤然运动时， 易造成损伤，甚至撕裂。当膝关节处于关屈而胫骨固定时，股骨下端由于外力骤 然过度旋内、伸直，可导致内侧半月板撕裂；同理，如该时股骨下端骤然外旋、 伸直，# t - 便u 半月板也可发生破裂【10 。 膝关节内有两条交叉韧带。前交叉韧带附着于胫骨髁间前窝，斜向后外上方， 止于股骨外侧髁内面的后份，有制止胫骨前移的作用。后交叉韧带位于前交叉韧 带的后内侧，较前交叉韧带短，起自胫骨髁间后窝及外侧半月板的后端，斜向前 上内方，附于股骨内侧髁外面的前份，具有限制胫骨后移的作用。关节腔内的辅 助结构有膝交叉韧带( 前、后交叉韧带) 和内、外侧半月板【l l 】。 第二章膝关节僵直基本知识概述 2 2 膝关节僵直的原因 膝关节僵直主要由关节内、外的粘连及挛缩所致。关节内的粘连主要位于髌 上囊、髁间窝、股骨髁两侧间隙、半月板周围及脂肪垫。粘连组织增厚、变硬、 纤维化以致钙化。此外，髌骨支持带发生挛缩甚至与股骨踝之间发生粘连，也限 制了膝关节的活动，损伤后血肿或炎性渗出物的机化，在髌股关节形成许多粗细 不同的纤维索条，会影响髌骨上下移动而形成髌骨关节的粘连l l2 1 。关节外的粘连 挛缩主要有股四头肌的纤维化、挛缩及粘连，股骨于骨折处股四头肌与之粘连、 愈着、瘢痕化，使四头肌及其肌腱与股骨之间的滑动消失，严重限制膝关节的伸 屈。长期的制动，膝屈伸肌肌力先减退后进一步废用性改变使股四头肌及其肌腱 发生变性、纤维化及挛缩。正是这些膝关节内外的粘连与挛缩，导致膝关节僵直。 此外，关节疼痛通过神经系统，使肌肉组织产生保护性抑制反应等，也都是严重 影响膝关节功能的因素。 根据实验结果，从微观结构上进一步分析膝关节僵直的原因。无论是膝关节 本身的损伤还是制动，都会导致膝关节周围组织血供障碍，并可导致组织缺血、 缺氧，成纤维细胞出现退行性改变，细胞内粗面内质网、高尔基体减少，出现空 泡样物质，线粒体肿胀，从而出现成纤维细胞代谢异常。成纤维细胞是合成胶原 和基质中葡糖胺多糖( g a g ) 的主要细胞，当成纤维细胞退变，胶原和的合成和分 泌就会减少。根据a m i e l 1 3 】报道：兔膝制动后，胶原组织中总胶原含量随制动时 间的延长呈指数曲线下降，这种改变认为是与胶原组织的再生能力衰竭有关的。 制动后内、外侧副韧带( m c l 、l c l ) 的胶原转化增加，合成和降解者增加，但 降解远大于合成，因而导致胶原净丢失。a k e s o n 1 4 】发现兔膝制动9 周后，关节 周围组织中g a g 、水分和透明质酸等含量明显减少，而这些成分在保持组织滑 动性方面起重要作用。除了成纤维细胞的退变，制动可引起关节软骨组织退行性 变。膝关节本身的损伤可能有关节软骨的直接破坏，而制动后因长时间机械应力 改变，软骨组织营养障碍也会出现退变。 分析制动引起关节软骨组织退变的原因，主要包括：制动限制了关节的活 动，跨越关节的肌肉、关节囊组织挛缩，以及制动早期滑液形成过多，造成关节 内压增高。随着制动时间延长，软骨组织基质内纤维浸润和滑液减少，造成软 骨组织营养障碍。制动使软骨内胶原纤维网状结构的渗透泵作用丧失，滑液在 关节软骨表面形成不流动的静止区，而这种变换屏障妨碍了滑液的扩散和交换。 这些退行性的改变，使得膝关节损伤组织的再生、修复能力严重受限，从而失去 原有的正常功能。 越来越多的资料显示，关节外结缔组织在关节运动障碍发生中起着重要作 天津大学硕士学位论文 用，如韧带。据l a r s e n 【1 5 】等报道鼠膝关节制动后，前交叉韧带的弹性刚度减少 2 5 ，后交叉韧带的弹性刚度减少3 8 。a k e s o n 等观察到制动后胶原纤维的随机 排列方式增加，平行排列几乎消失。t i p t o n 等报道将犬膝石膏夹板固定6 周后骨 韧带组合体的最大负荷减少3 7 ，这就意味着此组合体的整个抗张特性的下降。 n o y e s j 丕发现石膏夹板固定8 周后，前交叉韧带弹性模量减少2 0 。而韧带的这些 材料特性的变化，主要是代谢变化引起的。制动1 2 周，m c l 的羟脯氨酸含量明 显减少。s l a c k 发现鼠失神经肢体的软组织胶原和g a g 合成都减少。k l e i n l l 6 1 等报 道成年鼠后肢失神经后，软组织胶原有很大的转化，膝韧带胶原含量丧失2 3 ， 补充l5 新胶原，净丢失8 。 分析制动后韧带的下列改变可能与关节僵直有关：胶原纤维的排列改变， 由有利于对抗拉伸张力的平行排列变为紊乱的随机排列，影响韧带的强度及韧带 纤维的滑动，长久则导致活动障碍。胶原交联的增加，但胶原的过多交联，限 制细胞外基质的活动。水和g a g 含量的减少，使基质问的接触更为紧密，胶 原的滑动性受到限制。制动后韧带失去光泽，外形变小、变薄，与周围结缔组织 结构紧密相贴，这可部分解释其与关节运动障碍有关。成纤维细胞的改变。制 动后关节运动障碍的形成，目前有一种看法涉及到成纤维细胞的衍变。细胞由椭 圆形变为长条或梭形，有较多的长突起，粗面内质网减少，空泡增多。对原因的 探讨，使对治疗有所指导。 2 3 膝关节僵直的康复 膝关节僵直的康复主要在于预防，在膝关节创伤或手术后及早进行康复干 预，能有效地防止膝关节功能障碍的发生，且创伤后开始康复的时间与康复治疗 的效果明显有关l l2 1 。 对于膝关节僵直的患者，采用的治疗方法通常均以保守方法，即非手术方法 开始，如无法得到满意的效果再使用手术。常用的方法有以下几种【17 j ： 1 )物理治疗及中药治疗 用红外线、微波、超声波等局部照射3 0 m i n ，l 2 次d ，可消炎、止痛、松 解粘连和加速积血积液的吸收，或用中药熏洗。 2 )关节松动术 暴露髌骨，推动其上下左右滑动，然后悬空小腿，做重力自然屈膝牵引。此 法适于早期住院病人，在热疗后结合晨间护理进行。 3 )推拿和牵引 取胫骨结节至髂前上棘的股四头肌全程按摩放松，关节间隙和挛缩部位施用 第二章膝关节僵直基本知识概述 “一指禅”和弹拨手法。反复被动屈膝，同时助手配合推动髌骨向股骨滑车滑动， 或采用关节动能牵引，热疗和( 或) 放松膝关节周围肌能增强其疗效。正常的髌骨 在膝关节的屈伸活动中可活动7 c m 。 + 4 )功能锻炼 ， 不能只靠物理的方法扩大r o m ，必须同样重视肌力训练。通常采用抗阻训 练、生物反馈训练和渐进性抗阻训练是较好的方法，等速训练更是一个较为安全 的肌力训练措施。 5 )手术 原则上主张任何非骨性粘连都应用综合保守治疗。因松解手术本身也是创 伤，术后仍有粘连的问题，所以在以上综合治疗下仍无进展的不得已情况下，且 粘连病程长者施以粘连松解术，有股四头肌纤维化挛缩者，还需行股四头肌成形 术。近年来，学者们仍在不断探索预防关节粘连的新型生物材料，透明质酸、几 丁糖等都是近年来发现的对预防关节粘连有作用的材料。 6 )关节内药物注射 可了解关节腔容量，以判断关节内粘连程度；还可关节内注射药物，如透明 质酸钠( 关节营养药物) 、确炎舒松a ( 镇痛治疗) 。 7 )疼痛的处理 在关节功能障碍的康复治疗中，轻度的疼痛是允许的，但明显的疼痛需进行 临床处理。膝关节不但具有髌股关节，胫股关节和上胫腓联合这三个关节，而且 还具有半月板、侧副韧带和前后交叉韧带等附属结构，故疼痛的处理首先要把训 练不当导致的关节结构损伤除外，然后进行对症处理。 8 )心理治疗 外因通过内因起作用，心理治疗能使病人积极主动地配合临床治疗，充分发 挥病人的主观能动性。 行走能力的减弱是膝关节患者最大的生理障碍，如果通过科学的训练能够部 分恢复的话，不仅可以给患者的健康带来必要的益处，更可以帮助患者重树信心， 更加有助于患者将来正常生活的回归。可以这样说，站立及步行的训练是整个康 复流程中的关键环节。 总之，膝关节僵直是骨伤科的疑难病症，目前还没有一种单一的高效治疗方 法。利用先进的科学技术，根据不同的情况，综合治疗是临床最为常见的治疗模 式。只有早预防、早治疗，以及全社会的帮助才能够减轻患者的痛苦和负担，有 效地节约医疗资源，使膝关节僵直患者早日回归正常生活。 天津大学硕士学位论文 第三章基于柄反作用矢量( h r v ) 的步行器测力系统 为了获得膝关节僵直患者在步行器助行过程中的上肢三维力学数据，本文研 究中采用的是本实验室自行研制的步行器测力系统。该测力系统是基于柄反作用 矢量( h a n d l er e a c t i o nv e c t o r , h r v ) 建立起来的，采用间接测量法，避免了测量过程 对于患者站立行走的正常步态的影响。系统硬件部分由传感元件、放大电路、数 模转换装置以及稳压电源四部分组成，软件部分包括数据采集和数据处理两部 分。 3 1 步行器的简介 英语中将步行器产品统称为w a l k i n ga i d s ，即辅助行走的器具，也可称为助 行器、步行架或步行辅助器等，定义为辅助人站立与行走的工具和装置【l8 | 。从当 前国际发展状况来分析，步行器从操作力源上可划分为3 类：( 1 ) 动力步行器：即 由人体外部动力驱动的步助行器；( 2 ) 功能性电刺激步行器：是通过电刺激使下 肢功能丧失或部分丧失的患者站立行走的步行器；( 3 ) 无动力步行器：即无人体 外部力源，使用者利用自身体能操作的步行器i l 9 1 。 3 1 1 动力步行器 动力式步行器是一种辅助病人站立、行走的特殊双足步行装置。目前，对于 下肢完全失控或上肢力量欠缺的瘫痪患者单纯依靠拐杖及助行架还不能帮助行 走。利用下肢长肢矫形器( k a f o 和h k a f o ) 限定关节活动范围，并同时辅以拐杖 等器具支撑体重，保持重心移动时身体平稳的方法被广泛应用于截瘫患者的康复 训练。这种利用使用者自身体能操作的特殊矫形器在国内外得到了大量的研究开 发1 2 。图3 1 给出了一种动力步行器。 3 1 2 功能性电刺激步行器 - 近年来随着计算机的不断发展，功能性电刺激装置日趋完善，不管是硬件还 是软件都在发展中。功能性电刺激( f u n c t i o n a le l e c t r i c a ls t i m u l a t i o n ，f e s ) 的应用， 为中枢神经系统损伤所致的瘫痪肌肉的运动功能重建和锻炼提供了有效的手段。 近年来，已发展成了应用电子计算机控制的步行辅助系统，可以使完全性瘫痪的 第三章基于柄反作用矢量( h r v ) 的步行器测力系统 病人站立和行走，目前f e s 主要用于瘫痪肌肉的功能锻炼和辅助不完全性瘫痪 肢体的运动0 2 1 - 2 2 1 。图3 2 给出了一种功能性电刺激步行器。 罔3 - 1 动力步行器 3 1 3 无动力步行器 罔3 - 2 功能性电刺激步行器 无动力步行器在国内己广泛地被开发使片j ，其种类很多，总体包括拐杖及助 行架。从整体结构、支撑部位和使用功能上综合了助行架和拐杖中各种产品结构 的特点，分为4 种具有通用性质的助行器，即固定式步行器( 其结构尺寸不能改 变) 、可调式步行器( 其结构尺寸可以调节但不能折叠) 、折叠式步行器( 其整体结 构可以折叠) 、折叠可调式步行器( 其整体结构可折叠、尺寸可以调节) ”。对于膝 关节僵直患者，由于患者能够依靠上肢力量完成行走，所以在康复治疗中多采用 无动力步行器作为康复辅助工具。本研究中也采用了无动力步行器作为测力系统 框架，如图3 - 3 所示。 礤” 天津大学硕士学位论文 3 2h r v 的概念 图3 - 3 尤动力步行器 长期的临床研究结果表明，在步行器帮助下的站立及行走过程中，步行器提 供给患者的效用实际上可以分为明确独立的3 个部分：前后向的力推进，左右向 的力平衡和上下向的力支持，这其实也可理解为患者为维持自身正常站立行走对 外界所需的附加力学诉求。根据这一研究结果，在1 9 9 6 年，来自英国u n i v e r s i t y c o l l e g el o n d o n 的d o n a l d s o n 和y u 首次提出了柄反作用矢量的概念口，他们将 患者在站立行走过程中对步行器的作用合成简化为集中载荷，分别用位于手柄中 点横截面形心处的两个力学矢量来表示，如图3 - 4 所示。矢量在x ，y ，z 轴上的 方向分量台力大小可以分别表征患者借助步行器所获得的力推进，力平衡和力支 持水平。其中，定义坐标系所设定的x 轴正向为患者的右向，y 轴正向为患者的 前向，z 轴正向为患者的上向。这样，h r v 的定义公式也可以写为： h r v = n r v , ，h r v , 7 = ，矗。吒，f ，吒丁( 3 - 1 ) 第三章基于柄反作用矢量( h r v ) 的步行器测力系统 l i r 、 圈3 - 4 柄反作用矢量( h r v ) 定义示意图 在2 0 0 1 年，来自美国m a r q u e t 【eu n i v e r s i t y 的b a c h s c h m i d t 和h a r r i s 进行了 h r v 在康复行走中的e 肢动力学相关研究，他们所运用的方法是将应变片电桥 安装在步行器手柄表面上进行直接测量。 3 3h r v 的测量 我们不难发现，h r v 作为研究步行器站立助行的运动力学新概念，其提出 有着明显的理论意义和应用价值。但是以往的研究大部分采用直接测量法，即将 测量位置集中在了手柄表面，这样的直接测量往往会引入定程度的误差。一方 面，应变片容易受到使用者体温和湿度的影响，从而导致测量精度下降；另一方 面，直接安装在手柄表面的应变片会给患者带来手握动作的不适和心理的某些暗 示恐惧感，从而影响其正常的步态，进一步引入不必要的误差。 革于上述直接测量法缺点的考虑，本系统采用间接测量法测量h r v ，将应变 片电桥的粘贴位置选在步行器框架的其他适合测量的位置避开手柄，从而最大 程度地消除测量过程中对患者正常步态的影响，提高测量结果的精度和可靠性。 这里，h r v 的间接测量需要满足两个前提条件：一是町以从理论上证明h r v 在任一单方向分量输入与其所引发的步行器框架任意测量位置上的应变片电桥 输出问都存在线性关系。只有保证这一输入一输出恒定的线性关系，才能通过系 天津大学硕士学位论文 统校准确定出二者固有的线性系数，从而在测量过程中进行可靠的对应变换。研 究中应变片采用的是弯曲模式，测量量是对应位置的弯矩状况，因此这个线性关 系又可以分解成为两个子线性关系：h r v 任一单方向分量与其所引发的步行 框架任意位置上的弯矩的线性关系；弯矩与应变片电桥输出的线性关系。这两 个线性关系已经在之前的研究中得到了证明，这里不再赘述【2 6 j 。 第二个前提条件是可以从方法上解决准确提取的问题。由于在站立行走过程 中，h r v 不可能始终保持单方向分量状态，更普遍的情况是6 个方向分量皆非 零。而根据第一个前提，在测量位置处，所有这6 个方向分量又都可能造成线性 输出，这样就导致测量的总输出实际上是包含了全部6 个方向分量的输入贡献， 因此也就牵涉到如何从总输出中准确提取出各输入的对应关系的问题。针对此问 题，本研究中的测量系统从冗余一优化方法和相应测量位置的选取两方面进行了 设计，以确保测量的准确提取。 3 3 1 冗余一优化算法 由前提条件一可知，h r v 任一单方向分量输入与其所引发的步行器框架任意 测量位置上的应变片电桥输出间都存在线性关系，那么根据刚体的力学可叠加 性，对于一般h r v 引发的电桥输出则有： u = 【s m h r v 】 ( 3 - 2 ) 其中，【s m 】为该位置各方向分量的固有线性系数组成的行阵。 由式( 3 2 ) 可知，一套应变片电桥的输出对应了6 个h r v 单方向分量的输入， 仅凭此是根本无法完成通过输出提取输入的任务。理论上说，至少应该有不同位 置的6 套应变片电桥的输出，才能达到测量目的，这时会有： 或者按照测量过程写为： 【u 】= 【嘶】【舰y 】 ( 3 - 3 ) 【h rv 】- 【s m 【u 】 ( 3 - 4 ) 其中，s m l 为在所有固有线性系数组成的6 x 6 方阵( 或称灵敏度系数矩阵) ，u 1 为6 套应变片电桥的输出列阵。 研究中实际采用的是通过1 2 套应变片电桥来进行输入的提取。本质上这属于 一种增大有效信息量的冗余测量，此时的灵敏度系数矩阵s m l 将是一个1 2 x 6 的 超定矩阵，而非6 6 的方阵。这样，再对 s m l 进行转置求洲1 - j 的时候，实际 上也就是针对一个超定方程优化求解的过程，最终得到的h r v l 就是一个平衡了 第三章基于柄反作用矢量( h r v ) 的步行器测力系统 所有信息的优化结果 2 7 - 2 9 】。 这种冗余优化方法的设计初衷是用以解决实际h r v 平衡集中点偏移所带 来的误差问题的。由h r v 的定义可以知道，当手部载荷集中简化为h r v 时，理想 的平衡集中点是设置在步行器手柄中点处的。但在实际站立行走过程中，这个平 衡集中点可能会向前或向后略有偏移，给测量带来误差。冗余优化方法可以通 过冗余应变片电桥的增加使测量位置具备前后对称性。从而在后续优化过程中将 这种误差消除。具体说来，平衡集中点的这种偏移带给前向和后向对应测量位置 的输出值变化是截然相反的，而优化过程可以通过二者的平均化尽可能地减小误 差。 3 3 2 测量位置的选取 研究中采用相对输出最大性来定位应变片电桥，采用这种方法的目的是避免 因h r v 单项分量力的线性系数比例相等而造成的无法准确提取被测量的问题。 系统采用1 2 套应变片电桥，其中每两套应变片电桥对应于一个方向上的 h r v 分量，且该方向分量在其上的相对输出一定是整个测量区间内最大的，这 个位置称为相对最大输出位置。这时的s m l 至少会是满秩，但更可能会是一个 超秩，或者超定矩阵，方程组可有优化解 3 0 - 3 1 】。 研究中利用了a n s y s 软件对标准步行器结构进行了相关有限元分析( f i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s ，f e a ) ，在考察完不同方向分量力作用下的步行器框架梁变形效 果与内力分布之后，最终得出了标准步行器的相对最大输出位置，为应变片的粘 贴位置提供了理论依据。具体的粘贴位置如图3 5 所示。 其中，b 1 和b 2 对应的是最，b 3 和b 4 对应的是瓦，b 5 和b 6 对应的是最， b 7 和b 8 对应的是只，b 9 和b 1 0 对应的是e ，b 1 l 和b 1 2 对应的是足。另外， 根据弯矩方向的不同，粘贴位置需对应在管件的不同侧面。 由此，通过将应变片电桥安放在合适的测量位置，再结合冗余一优化方法， 便可以确保测量的准确提取。 3 3 3 步行器测力系统校准 步行器测力系统校准包括两个部分：静态标定和误差检验。静态标定针对系 统的灵敏度系数矩阵【肼】_ l ，误差检验针对的是标定后系统的各项误差，其中主 要包括非线性、交叉干扰和力学精度阻3 6 1 。经过系统的标定和校准，本系统的各 项性能指标均达到了研究中h r v 的测量要求。最终的系统灵敏度系数矩阵如表 3 1 所示，系统非线性误差如表3 2 所示，交叉干扰测试如表3 3 所示。 天津大学硕士学位论文 8 一l o b 一6 图3 - 5 步行器测力系统应变片电桥粘贴位置示意图 - 1 5 3 第三章基于柄反作用矢量( h r v ) 的步行器测力系统 表3 2 非线性误差 表3 3 交叉干扰 施力方向 f t 交叉干扰( 0 ) 疋疋疋 - 1 6 - 天津大学硕士学位论文 3 4 步行器测力系统组成 本研究中所采用的步行器测力系统由硬件和软件两部分组成。硬件部分包括 传感器件、放大滤波电路、稳压电源以及数模转换装置；软件部分包括数据采集 和处理两部分，系统结构示意图如图3 6 所示。 l i步行器 ： 软件部分 ： i i 3 4 1 硬件部分 图3 6 步行器测力系统结构示意图 患者在使用步行器的过程中所施加在步行器上的h r v 首先通过安装在步行 器