使用上肢假体代偿运动的研究

问题陈述：

目前对上肢假肢设计的改进包括控制系统和电子电路中的先进技术，可以模仿人体运动并改善假肢的功能。 通常，这些改进需要大量的电力、电路和沿假体远侧的多余质量，这可能需要用户付出更大的努力。 上肢假肢功能不佳可能会导致笨拙的代偿运动。 众所周知，异常运动（例如这些代偿性运动）会对其余关节造成更大的压力。 截肢者被迫决定先进电子设备提供的额外功能是否值得承受额外的重量，这可能会导致疲劳、插座问题和剩余关节承受更大的压力。 一个例子是上肢假肢的腕部旋转器组件，它可以提供更大的功能并减少代偿运动，但会增加远端的质量，可能会对其余关节造成更大的扭矩。

当前文献概要：

上肢假肢的运动受限和超重已被记录为截肢者的抱怨 [1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。 通过阿特金斯等人的调查。确定截肢者希望假肢的手腕部分能够进行更多运动。 这项研究还列出了用玻璃杯喝水和开门是截肢者的首要任务 [7]。 这表明假肢上的手腕部件很重要。

科学文献中有许多例子表明步态的动力学、运动学和代谢分析如何导致下肢假肢设计标准的改进 [8]、[9]。 2003 年，Twiste 等人。对假肢步态期间解剖关节的旋转和平移进行了文献综述。 这篇综述的摘要提到，显示优化步态模式的更准确的运动学步态分析可以帮助制造商设计假肢组件来模仿这些模式 [9]。 已经研究了质量扰动对下肢截肢者的影响，以确定应如何评估假体的惯性特性 [10]。

也有涉及上肢运动的研究，但数量有限。 已经记录和分析了健康和支撑受试者执行日常生活活动的上肢运动范围 [11]、[12]、[13]。 这些研究着眼于手腕位置的影响，而不是手腕组件的质量。

研究目标：

这项研究有两个主要目标：

1. 确定没有手腕旋转器的上肢假肢在常见任务中对其余关节的代偿运动和扭矩的影响
2. 确定腕旋转器在上肢假肢上的位置（远侧或近侧）对常见任务中代偿运动的影响

假设：

1. 在四项常见任务中，健康受试者、支撑受试者和上肢截肢者的上肢关节运动范围将存在统计学上的显着差异。
2. 在三个常见任务中，健康受试者、支撑受试者和上肢截肢者之间的关节上肢关节扭矩将存在统计学上的显着差异。
3. 在常见任务期间，远端添加的质量和近端添加的质量之间的上肢角度和关节扭矩将存在统计学上的显着差异。

方法 参与者 十名没有上肢损伤史的健康成年志愿者将参与这项研究。 五男五女将参加。 这十个受试者将组成对照组，然后将被支撑以模拟肘部假肢。 七名单侧上肢截肢者将参加。

测试协议 一个 8 摄像头红外 Vicon 运动分析系统将用于运动数据的收集和分析。 十九个球形反射标记将被放置在受试者上肢和躯干的骨骼标志上，以描述节段或局部坐标系。

将为每个受试者收集静态试验，以帮助确定联合中心。 将收集受试者参数，例如体重、身高和肩深、手腕和手的厚度以用于计算。 将以 120 Hz 的频率收集运动学数据。

受试者将被要求完成四项任务：

• 用杯子喝
• 打开一扇门
• 举起一个 5 磅重的箱子
• 转动方向盘（不包括此任务的动力学分析）

健康受试者将在以下干预期间完成每项任务：(1) 无干预 (2) 支撑限制前臂和手腕运动，(3) 在肘部附近增加 96 g（平均假肢旋转器的质量）支撑，(4) 支撑手腕附近增加了 96 克。 截肢者将完成上述干预措施 (3) 和 (4)，无需手腕旋转器，而是模拟一个人的质量。 将为每个实验测试条件收集三个试验，这些试验将被平均作为每个受试者的代表。 测试的顺序将随机分配给每个主题。

实验设计：

本研究将研究在四项活动中，手腕和前臂运动缺失对肩部、肘部和躯干运动的影响。 本研究将结合受试者间和受试者内分析。

独立因素（受试者之间）：手腕和前臂运动的限制（模拟假肢上没有手腕旋转器组件）

等级：

• 控制组
• 支撑组 - 模拟肘部以下的上肢假肢
• 假体佩戴组

重复因子（with-in subjects）：增加的质量（模拟手腕旋转器的质量）

等级：

• 不增加手腕旋转器的质量
• 向近端（肘部附近）添加的手腕旋转器的质量
• 向远端添加的手腕旋转器的质量（手腕附近）

将使用具有一个重复测量的双向方差分析来分析主效应和交互效应。

数据处理

将使用以 Vicon Bodybuilder 语言编写的程序计算肩部、肘部和躯干运动和扭矩。 放置在受试者身上的标记的位置将被数字化，躯干、上臂、下臂和手的部分将被确定。 将计算欧拉角。 逆动力学和人体测量学将用于计算力和扭矩。 将比较以下结果措施：

• 肩外展和屈曲
• 屈肘
• 躯干弯曲（左/右）
• 肩关节力和力矩
• 肘关节力和力矩

这些结果测量的最大值、最小值和范围将在受试者之间和内部受试者之间进行比较。

预测结果/讨论

用杯子喝：

• 支撑和假肢佩戴组会有更大的肩部外展，以补偿前臂旋转和手腕伸展的不足。
• 向远端添加质量（手腕旋转器）会在肘部产生更大的力和扭矩。 由于肱肌插入尺骨结节处可能受伤，因此肘部力量的增加在截肢者组中最为明显。

开门：

• 支撑和假肢佩戴组会有更大的肩部外展，以补偿前臂旋转和手腕伸展的不足。 这些团体也可以通过弯曲躯干而不是增加肩部外展来补偿。
• 由于肩关节在冠状面的活动范围增加，支具和假体佩戴组在肩关节处会产生更大的扭矩。 当质量（手腕旋转器）由于杠杆臂的增加而向远端添加时，肩关节扭矩的增加将增加。

举起一个 5 磅的箱子：

• 此任务将需要最小的手腕偏差、手腕屈曲/伸展和最小的前臂旋转。 它包含在本研究中，因为它是一项双边任务
• 由于前臂和手腕的局限性，支撑和假肢佩戴组将有更大的肩外展和更小的肩屈曲。
• 对于截肢者而言，健壮手的肩肘关节力和扭矩会更大，因为他们将假肢仅用作任务的指导。 但是，可能会发生相反的情况。

转动方向盘：

• 支撑和假肢佩戴组将有更大的肩部外展，以补偿手腕屈曲和伸展的不足。 然而，补偿也可能发生在躯干弯曲中。
• 对于这项任务，截肢者将首先用健全的手臂完成它，然后用假肢来确定补偿发生的位置。

贡献 这项工作将为生物力学领域和假肢设计领域做出许多贡献。 研究人类疾病的一个重要方面是有一组控制数据用于比较。 在四项常见任务中记录上肢的运动学数据将允许在研究许多上肢问题或损伤时进行比较。

这项工作将有助于确定在上肢假肢的设计、安装和指导中是否应考虑新部件的位置。 它还可能有助于弥合工程领域的技术创新与每天与最终用户接触的假肢医生的临床敏锐度之间的差距。

参考

1. S.C.雅各布森，D.F.努蒂，R.T. Johnson 和 H.H. Sears，“犹他州人工手臂的发展”，IEEE Trans.Biomed.Eng.，卷。 29，页。 249-269，四月。 1982.
2. J.E. Uellendahl，“上肢肌电假肢”，Phys.Med.Rehabil.Clin.N.Am.，卷。 第 11 页 639-652，2000 年 8 月。
3. 厘米。光，P.H. Chappell, B. Hudgins 和 K. Engelhart，“手部假肢的智能多功能肌电控制”，J.Med.Eng.Technol.，卷。 26，页。 139-146，七月至八月。 2002.
4. P.J.凯伯德，D.J. Beard 和 J.D. Morrison，“参加 Oxford Limb Fitting Service 的上肢假肢使用者人数”，Prosthet.Orthot.Int.，第一卷。 21，页。 85-91，1997 年 8 月。
5. W. Daly，“上肢插座设计选项”，Phys.Med.Rehabil.Clin.N.Am.，卷。 第 11 页 627-638，2000 年 8 月。
6. H.H. Sears 和 J. Shaperman，“比例肌电手控制：评估”，Am.J.Phys.Med.Rehabil.，卷。 70，页。 1991 年 2 月 20-28 日。
7. D.J.阿特金斯、赫德 D. 和 W.H. Donovan，“上肢丧失个体的流行病学概述及其报告的研究重点”，JPO，卷。 第 8 页 1996 年 2-11 日。 1996.
8. J.S. Rietman、K. Postema 和 J.H. Geertzen，“假肢步态分析：观点、想法和结论”，Prosthet.Orthot.Int.，卷。 26，页。 4 月 50-57 日 2002.
9. M. Twiste 和 S. Rithalia，“假肢步态期间的横向旋转和纵向平移——文献综述”，J.Rehabil.Res.Dev.，卷。 40，页。 1 月至 2 月 9 日至 18 日。 2003.
10. R.W. Selles、J.B. Bussmand、L.M. Klip、B. Speet、A.J. Van Soest、H.J. Stam，“经桡动脉截肢者对质量扰动的适应：动力学不变性还是运动学不变性？”，Arch。 物理。 医学。 康复，卷。 85 页 2046-2052，2004 年 12 月。
11. A. Murgia、P.J. Kyberd、P.H.查佩尔和 C.M. Light，“用于描述周期性任务中日常生活活动期间手腕运动的标记位置，”Clin.Biomech.（布里斯托尔， 雅芳），卷。 19，页。 248-254，三月。 2004.
12. R. Safaee-Rad、E. Shwedyk、A.O. Quanbury 和 J.E. Cooper，“在执行三种进食活动期间上肢关节的正常功能运动范围”，Arch.Phys.Med.Rehabil.，卷。 71，页。 505-509，六月。 1990.
13. J.S. Landry，“肘下、动力、假手的最佳固定手腕对齐方式”，pp. 1-80, 2000。 2000。