1例單側(cè)大腿截肢者穿戴四種假肢膝關(guān)節(jié)步行能力的評價(jià)①

刁子龍，曹學(xué)軍，魏艷琴，馬鑫鑫

1例單側(cè)大腿截肢者穿戴四種假肢膝關(guān)節(jié)步行能力的評價(jià)①

刁子龍1,2，曹學(xué)軍2,3，魏艷琴2，馬鑫鑫1

目的 比較1例單側(cè)大腿截肢者穿戴四種不同假肢膝關(guān)節(jié)后的步行能力，為臨床開具假肢處方提供參考。方法 1例單側(cè)大腿截肢者分別穿戴機(jī)械四連桿、氣壓四連桿、液壓單軸和智能假肢膝關(guān)節(jié)，穿戴智能日?；顒幽芰肯挠涗泝x進(jìn)行計(jì)時(shí)起立與行走測試、室內(nèi)6分鐘步行測試、靜態(tài)站立平衡測試和室外1000 m步行測試。結(jié)果 截肢者穿戴智能膝關(guān)節(jié)假肢比穿戴其他膝關(guān)節(jié)假肢在步行過程中能量消耗少，步行速度快。結(jié)論 不同假肢膝關(guān)節(jié)對單側(cè)大腿截肢者步行能力影響不同。

大腿截肢者；假肢；步行能力；假肢膝關(guān)節(jié)；評定

大腿假肢的主要功能部件是膝關(guān)節(jié)和假腳，其中假肢膝關(guān)節(jié)的作用最為重要。由于截肢者失去了膝關(guān)節(jié)，相對于小腿及下肢遠(yuǎn)端截肢者來說，對身體的控制將更加困難，步行的穩(wěn)定性、安全性及步態(tài)姿勢也有一定差距，因此單側(cè)大腿截肢者穿戴具有良好控制功能膝關(guān)節(jié)的假肢，可以幫助截肢者實(shí)現(xiàn)站立的穩(wěn)定及步行過程的自然美觀，影響著截肢者的步行能力水平[1]。

穿戴假肢后步行能力的評價(jià)對截肢者康復(fù)計(jì)劃的制定與實(shí)施、康復(fù)效果的評價(jià)有一定的指導(dǎo)意義，但目前對單側(cè)大腿截肢者步行能力的評價(jià)方法并不統(tǒng)一。常用的方法有定性評定法、量表法[2]、三維步態(tài)分析法[3-5]等，其中參考指標(biāo)主要為步行速度、步態(tài)對稱性和步行的能量消耗等。性能良好的假肢膝關(guān)節(jié)可以幫助大腿截肢者在站立期及支撐期防止過度屈曲，避免截肢者在站立和行走過程中跌倒；在步行擺動期控制假肢小腿擺動的速度，使截肢者步態(tài)更加自然[6]。

假肢膝關(guān)節(jié)的種類有很多，目前比較常見有機(jī)械假肢膝關(guān)節(jié)、智能假肢膝關(guān)節(jié)等，其中機(jī)械假肢膝關(guān)節(jié)以單軸膝關(guān)節(jié)、多軸控制膝關(guān)節(jié)、流體控制膝關(guān)節(jié)(液壓和氣壓)為主；智能假肢膝關(guān)節(jié)主要以微處理器控制膝關(guān)節(jié)擺動，如德國奧托博克的C-Leg假肢。目前國內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為，智能假肢膝關(guān)節(jié)及液壓控制膝關(guān)節(jié)對單側(cè)大腿截肢者步行能力的改善作用較大，但評估結(jié)果多為提取自步態(tài)分析實(shí)驗(yàn)室中的短距離步行信息，受制于實(shí)驗(yàn)場地、儀器等條件因素，無法真實(shí)反映單側(cè)大腿截肢者在實(shí)際生活中穿戴不同假肢膝關(guān)節(jié)的步行能力情況[7-8]。

本研究對1例大腿截肢者穿戴四種不同膝關(guān)節(jié)進(jìn)行平衡、室內(nèi)步行和室外復(fù)雜路面測試，客觀評價(jià)穿戴不同假肢膝關(guān)節(jié)對單側(cè)大腿截肢者步行能力的影響，為假肢相關(guān)臨床工作者對大腿假肢膝關(guān)節(jié)的選用及處方開具提供參考。

1 資料與方法

1.1 一般資料

患者男性，47歲，身高174 cm，體質(zhì)量70 kg，1998年因駕駛車輛剎車失靈遭遇車禍致左側(cè)大腿截肢，術(shù)后2周安裝假肢進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。

查體：患者左側(cè)大腿截肢，坐骨結(jié)節(jié)至殘肢末端距離32 cm，雙上肢肌力Ⅴ級，健側(cè)及截肢側(cè)殘存肌肉肌力Ⅴ級，關(guān)節(jié)活動度均正常。殘肢皮膚感覺正常，無瘢痕及未愈合創(chuàng)面。

1.2 方法

1.2.1 假肢膝關(guān)節(jié)的選擇

選擇大腿截肢者較常選用的四種假肢膝關(guān)節(jié)用于測試，包括機(jī)械四連桿假肢膝關(guān)節(jié)(Ottobock 3R20)、氣壓四連桿假肢膝關(guān)節(jié)(Ottobock 3R78)、液壓單軸假肢膝關(guān)節(jié)(Ottobock 3R80)、智能假肢膝關(guān)節(jié)(Ottobock C-LEG)。

1.2.2 評價(jià)設(shè)備

智能日?；顒幽芰肯挠涗泝x(Intelligent Device for Energy Expenditure and Activity, IDEEA)(MINISUN,Fresno,California)包含5個(gè)加速度采集單元和1個(gè)數(shù)據(jù)處理存儲單元。其中數(shù)據(jù)處理存儲單元系在腰部，5個(gè)加速度采集單元的位置為兩側(cè)足底第四跖趾關(guān)節(jié)近端處、兩側(cè)大腿前面中間位置、兩側(cè)胸鎖關(guān)節(jié)連線中點(diǎn)下方。

Zebris FDM-T步態(tài)分析跑臺(ZEBRIS MEDICAL GMBH,Germany)配有10,240個(gè)微型壓力傳感器，每個(gè)傳感器大小為0.85×0.85 cm，跑臺測試面積150×50 cm，采樣率120 Hz。

1.2.3 評價(jià)流程

受試者參加測試前穿戴液壓單軸膝關(guān)節(jié)12個(gè)月。為排除長期穿戴的膝關(guān)節(jié)對測試數(shù)據(jù)的影響，隨機(jī)選擇假肢膝關(guān)節(jié)請受試者穿戴進(jìn)行測試，接受腔、假腳、懸吊方式等不進(jìn)行更換，假腳均選用靜踝軟跟腳(Ottobock 1D35)。由一名具有豐富臨床經(jīng)驗(yàn)的假肢師為受試者進(jìn)行假肢的調(diào)試，并指導(dǎo)受試者對安裝的假肢膝關(guān)節(jié)進(jìn)行每天不少于2 h的適應(yīng)性訓(xùn)練，包括平路行走、上下坡路行走、上下樓梯、石子路行走等，適應(yīng)1周后開始進(jìn)行以下評價(jià)測試，測試之前由一名測試人員為受試者穿戴IDEEA設(shè)備。

1.2.3.1 計(jì)時(shí)起立與行走測試(Timed Up and Go Test,TUGT)

請受試者坐在配有扶手及靠背的座椅上，從座椅處站起，盡可能快速地向前行走3 m，再轉(zhuǎn)身走回到座椅坐下，記錄受試者完成動作的時(shí)間。測試3次，取平均值。

1.2.3.2 室內(nèi)6分鐘步行測試(6-Minute Walk Test,6MWT)

選取室內(nèi)距離為30 m的通道進(jìn)行測試。令受試者以自我感覺最舒適的速度步行6 min，通過受試者身上穿戴的IDEEA記錄步行距離、步速、步頻、跨步長、步態(tài)周期、單支撐期、雙支撐期、擺動期。測試3次，取平均值。

1.2.3.3 靜態(tài)站立平衡測試

請受試者以中立位站在跑臺上進(jìn)行測試，雙腳對齊，身體直立，兩臂自然下垂放于身體兩側(cè)，水平目視前方。記錄受試者的重心軌跡長度、重心軌跡面積、X最大偏移量、Y最大偏移量。測試3次，每次測試時(shí)間為30 s，取平均值。

1.2.3.4 室外1000 m步行測試

選取1000 m規(guī)定路線，其中包含平路650 m、坡路80 m、草地50 m、碎石子路180 m、上下樓梯(20級臺階，高度15 cm)。測試全程需有實(shí)驗(yàn)人員陪同，保證步行路線的一致性和可重復(fù)性。測試2次，記錄完成時(shí)間、總能量消耗、室外上下坡和上下樓梯時(shí)的步態(tài)數(shù)據(jù)及能量消耗，取平均值。

2 結(jié)果

TUGT測試中，液壓單軸及智能假肢膝關(guān)節(jié)所用時(shí)間少于機(jī)械四連桿和氣壓四連桿假肢膝關(guān)節(jié)。

6MWT測試中，機(jī)械四連桿假肢膝關(guān)節(jié)雙側(cè)單支撐期時(shí)間、雙支撐期時(shí)間、步態(tài)周期最長，健側(cè)擺動期比例、步速、步行距離、步頻最低；液壓單軸假肢膝關(guān)節(jié)健側(cè)單支撐期時(shí)間最短、步速最快、跨步長及步行距離最長；智能假肢膝關(guān)節(jié)患側(cè)單支撐期時(shí)間最短，雙側(cè)擺動期比例、步頻最大。

靜態(tài)站立平衡測試中，四種假肢膝關(guān)節(jié)各項(xiàng)參數(shù)差異并不明顯。

室外1000米步行測試中，智能假肢膝關(guān)節(jié)用時(shí)最短且總能量消耗最低。上樓梯階段，氣壓四連桿假肢膝關(guān)節(jié)能量消耗最低、液壓單軸假肢膝關(guān)節(jié)最高；下樓梯階段，氣壓四連桿假肢膝關(guān)節(jié)最高，智能假肢膝關(guān)節(jié)最低；上坡及下坡階段，機(jī)械四連桿假肢膝關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)最高，智能假肢膝關(guān)節(jié)最低；石子路階段，智能及液壓單軸假肢膝關(guān)節(jié)能量消耗低于機(jī)械四連桿和氣壓四連桿假肢膝關(guān)節(jié)。見表1。

3 討論

本研究使用IDEEA定量評價(jià)單側(cè)大腿截肢者穿戴四種不同假肢膝關(guān)節(jié)的步行能力。IDEEA是一種基于加速度傳感器的智能設(shè)備，能夠測量截肢者在步行過程中的加速度，通過專用的軟件進(jìn)行處理分析，可以計(jì)算得出客觀、可靠的步態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)及能量消耗數(shù)據(jù)。IDEEA具有體積小、重量輕、測試時(shí)間長、對受試者干擾程度小、操作簡便、數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)確等特點(diǎn)。在能量消耗測量方面，與雙標(biāo)水法和間接熱量測定法有很強(qiáng)的相關(guān)性，已在臨床多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[9]。

表1 穿戴四種假肢膝關(guān)節(jié)測試結(jié)果比較

膝關(guān)節(jié)是大腿假肢最重要的功能部件。高性能的大腿假肢膝關(guān)節(jié)可以保證患者在支撐期的穩(wěn)定性和擺動期的靈活性[10]，改善截肢者的步行功能。智能控制假肢膝關(guān)節(jié)與傳統(tǒng)的氣壓、液壓控制假肢膝關(guān)節(jié)相比，可以自動識別截肢者步行的速度、道路情況等信息，通過微電腦動態(tài)調(diào)整支撐期和擺動器膝關(guān)節(jié)阻尼大小來適應(yīng)步行速度、關(guān)節(jié)角度、道路情況的變化[11]，同時(shí)智能假肢膝關(guān)節(jié)內(nèi)的力矩傳感器可以識別擺動初期，減少膝關(guān)節(jié)阻尼，幫助小腿加速擺動及膝關(guān)節(jié)屈曲[12]，使截肢者的步態(tài)更接近正常人，降低步行過程的能量消耗，提高截肢者的步行能力[13]。對于大腿截肢者來說，適合的假肢膝關(guān)節(jié)有助于改善截肢者的步行功能。

本研究通過對單側(cè)大腿截肢者進(jìn)行TUGT、6MWT、靜態(tài)站立平衡測試和室外1000米步行測試，利用室內(nèi)步行能力測試及室外復(fù)雜路面步行能力測試，模擬截肢者日常生活中的家庭性行走和社區(qū)性行走條件，評估步態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)、平衡參數(shù)數(shù)據(jù)、能量消耗參數(shù)數(shù)據(jù)，對單側(cè)大腿截肢者穿戴四種不同類型假肢膝關(guān)節(jié)的步行能力進(jìn)行定量評價(jià)研究，分析不同假肢膝關(guān)節(jié)對單側(cè)大腿截肢者步行能力的影響。

TUGT中，穿戴智能及液壓單軸假肢膝關(guān)節(jié)較穿戴機(jī)械、氣壓四連桿假肢膝關(guān)節(jié)平均時(shí)間少，可能是由于智能、液壓單軸假肢膝關(guān)節(jié)在截肢者起立時(shí)，有良好的助伸功能，可以幫助受試者更快速、安全地由坐位轉(zhuǎn)換至站立位，并能減少步行過程中擺動期時(shí)間，提高步行速度。

6MWT中，單支撐期占步態(tài)周期百分比、雙支撐期占步態(tài)周期百分比反映受試者在步行過程中的穩(wěn)定性大小，單支撐期比值增大表明穩(wěn)定性提高，雙支撐期比值增大表明穩(wěn)定性減少[14]。受試者穿戴智能假肢膝關(guān)節(jié)單支撐期時(shí)間占步態(tài)周期百分比、雙支撐期時(shí)間占步態(tài)周期百分比均較機(jī)械四連桿、氣壓控制四連桿關(guān)節(jié)明顯降低，與液壓單軸膝關(guān)節(jié)差別不大，提示智能、液壓單軸膝關(guān)節(jié)在步行穩(wěn)定性上較另兩種關(guān)節(jié)稍差，但在保證截肢者步行基本穩(wěn)定性的前提下，可以達(dá)到更高的步行速度，完成更長距離的行走。由于智能假肢膝關(guān)節(jié)通過微電腦可動態(tài)調(diào)整膝關(guān)節(jié)阻尼大小來適應(yīng)步行速度變化，因此在步態(tài)對稱性上表現(xiàn)更好。

靜態(tài)站立平衡測試中，受試者穿戴四種不同假肢膝關(guān)節(jié)在重心軌跡面積、重心軌跡長度、X最大偏移量及Y最大偏移量上無明顯差別。這可能是由于良好的假肢對線，使四種膝關(guān)節(jié)在靜態(tài)站立時(shí)均能給受試者提供站立穩(wěn)定保障。

能量消耗是評價(jià)單側(cè)大腿截肢者步行能力的重要指標(biāo)之一，不符合人體生物力學(xué)原理的假肢膝關(guān)節(jié)會使大腿截肢者在步行時(shí)更容易產(chǎn)生疲勞，從而導(dǎo)致步行能力的降低[15]。在室外1000 m步行測試中，智能假肢膝關(guān)節(jié)較機(jī)械四連桿假肢膝關(guān)節(jié)能量消耗降低20.5%，較氣壓控制四連桿假肢膝關(guān)節(jié)降低18.5%，與液壓單軸膝關(guān)節(jié)無明顯差別。在完成時(shí)間上，穿戴智能假肢膝關(guān)節(jié)較機(jī)械四連桿假肢膝關(guān)節(jié)時(shí)間少33.3%，較氣壓控制四連桿假肢膝關(guān)節(jié)少30.7%，較液壓單軸假肢膝關(guān)節(jié)少10.4%。由此可見，智能假肢膝關(guān)節(jié)在室外復(fù)雜路面測試中，各項(xiàng)參數(shù)明顯優(yōu)于另外三種假肢膝關(guān)節(jié)。主要由于智能假肢膝關(guān)節(jié)可以根據(jù)路面情況及截肢者自身步行速度的變化進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，在保證受試者步行穩(wěn)定的前提下，可以達(dá)到相對較快的步行速度。在經(jīng)過復(fù)雜路面時(shí)，截肢者本能選擇降低步速，提高穩(wěn)定性的步態(tài)模式，引起能量消耗的增大。在上樓梯及上坡短距離測試中，液壓控制假肢膝關(guān)節(jié)和智能假肢膝關(guān)節(jié)能量消耗較機(jī)械四連桿和氣壓四連桿假肢膝關(guān)節(jié)增高，可能是由于液壓缸的存在，與另兩種膝關(guān)節(jié)相比要重1倍甚至更多(如本研究中受試者使用的四連桿膝關(guān)節(jié)質(zhì)量約445 g，液壓控制膝關(guān)節(jié)質(zhì)量約1225 g)，這會導(dǎo)致步行時(shí)的患側(cè)負(fù)擔(dān)加重，引起能量消耗增高。

由此看出，穿戴智能假肢膝關(guān)節(jié)可以幫助截肢者提高步行能力水平，符合智能假肢膝關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)和制造的初衷。在有經(jīng)濟(jì)能力的前提下，在大腿假肢裝配時(shí)可優(yōu)先考慮。

其他三種假肢膝關(guān)節(jié)相比，受試者長期穿戴的液壓單軸假肢膝關(guān)節(jié)和智能假肢膝關(guān)節(jié)測試結(jié)果比較相似，液壓單軸假肢膝關(guān)節(jié)在平路行走時(shí)效果更好，而智能假肢膝關(guān)節(jié)在室外復(fù)雜路面行走時(shí)適應(yīng)能力更強(qiáng)。

由于液壓單軸假肢膝關(guān)節(jié)存在液壓控制裝置，可以產(chǎn)生與肌力相似的非線性阻力，可以更有效控制假肢膝關(guān)節(jié)在擺動期的運(yùn)動，與機(jī)械四連桿和氣壓四連桿假肢膝關(guān)節(jié)相比，在保證安全性和穩(wěn)定性的同時(shí)，可以達(dá)到更高的步行速度、更長的步行距離，提高運(yùn)動效率，降低步行的能量消耗；但與智能假肢膝關(guān)節(jié)相比，液壓單軸假肢膝關(guān)節(jié)無法根據(jù)路面情況實(shí)時(shí)改變阻尼大小，在一定程度上限制步行的速度，增大了能量消耗，液壓假肢膝關(guān)節(jié)適合有一定活動量的大腿截肢者裝配。

穿戴機(jī)械四連桿膝關(guān)節(jié)與氣壓四連桿假肢膝關(guān)節(jié)有良好的靜態(tài)站立穩(wěn)定性，但在步行過程中由于連桿機(jī)構(gòu)特性，支撐期時(shí)間較長、擺動期時(shí)間較短，步速、步行距離及能量消耗較液壓單軸、智能假肢膝關(guān)節(jié)有一定差距，適合活動量小或年齡較大對穩(wěn)定性要求高的大腿截肢者裝配。

本研究中受試者人數(shù)有限，穿戴假肢膝關(guān)節(jié)適應(yīng)時(shí)間相對較短，相關(guān)結(jié)果還需今后進(jìn)一步驗(yàn)證。

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WalkingAbility of an Unilateral TransfemoralAmputee with Four Kinds of Prosthetic Knee Joints

DIAO Zi-long1,2,CAO Xue-jun2,3,WEI Yan-qin2,MA Xin-xin1
1.Beijing Rehabilitation Hospital,Capital Medical University,Beijing 100144,China;2.Capital Medical University School of Rehabilitation Medicine,Beijing 100068,China;3.Institute of Rehabilitation Engineering,China Rehabilitation Research Center,Beijing 100068,China

Objective To compare the walking abilities of an unilateral transfemoral amputee with four different prosthetic knee joints,to provide a reference for clinical prosthetic prescription.Methods An unilateral transfemoral amputee was asked to wear four kinds of prosthetic knee joints,mechanical four-bar,pneumatic four-bar,hydraulic and intelligent prosthetic knee joints,and evaluated with Timed Up and Go Test,indoor 6-Minute Walk Test,Static Stand Balance Test and a 1000-meter Outdoor Walking Ability Test,wearing Intelligent Device for Energy Expenditure and Activity.Results The amputee consumed the least energy and walked the fastest with intelligent prosthetic knee joint.Conclusion There are some difference in walking ability with different prosthetic knee joints.

transfemoral amputee;prosthesis;walking ability;prosthetic knee joint;assessment

CAO Xue-jun.E-mail：zkba@sina.com

R496

A

1006-9771(2017)10-1216-05

10.3969/j.issn.1006-9771.2017.10.019

[本文著錄格式] 刁子龍，曹學(xué)軍，魏艷琴，等.1例單側(cè)大腿截肢者穿戴四種假肢膝關(guān)節(jié)步行能力的評價(jià)[J].中國康復(fù)理論與實(shí)踐,2017,23(10)：1216-1220.

CITED AS：Diao ZL,Cao XJ,Wei YQ,et al.Walking ability of an unilateral transfemoral amputee with four kinds of prosthetic knee joints[J].Zhongguo Kangfu Lilun Yu Shijian,2017,23(10)：1216-1220.

中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(No.2015CZ-19)。

1.首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京康復(fù)醫(yī)院，北京市100144；2.首都醫(yī)科大學(xué)康復(fù)醫(yī)學(xué)院，北京市100068；3.中國康復(fù)研究中心康復(fù)工程研究所，北京市100068。作者簡介：刁子龍(1990-)，男，漢族，北京市人，碩士，主要研究方向：康復(fù)工程。通訊作者：曹學(xué)軍(1961-)，男，漢族，上海市人，碩士，研究員，副教授，主要研究方向：康復(fù)工程。E-mail：zkba@sina.com。

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2017-04-05)