踝外骨骼可以增加踝跖屈力矩

2016-04-06 20:25 来源:丁香园 作者:dy
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卒中患者相比健康人步行时速度减慢,肢体不协调明显,代谢量增加。这些受限大部分由患肢异常造成,尤其是踝肌肉系统的功能障碍。健康人群中踝关节比其他肌群产生更多的力学能量,在向前推进及摆动相开始阶段发挥重要作用。

卒中患者踝关节功能下降可以导致步行时推进力不充分。为改善偏瘫侧踝功能,来自美国北卡罗莱纳大学的 Takahashi 等设计了一种以神经力学为基础的踝外骨骼(图 1),并对可行性进行了研究,研究结果发表在 Journal of Neuroengineering and Rehabilitation 2015 年 12 月的杂志上。

踝外骨骼使用碳纤维材料按使用者尺寸定做,小腿与足在踝关节处铰合,总重量 532.3 g 左右。人工气动肌肉(长约 26 cm)安装于小腿后方以提供踝跖屈的力矩(力臂长约 13.4 cm)。外骨骼辅助的幅度和时间取决于患侧比目鱼肌肌电信号以及步行平板收集处理的地面反作用力(GRF)的实时数据。

踝外骨骼采用成比例肌电推进控制,仅在支撑相来自前后地面反作用力均大于 0 时提供与患侧比目鱼肌肌电信号相称的踝跖屈力矩(图 1)。

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图 1 成比例肌电推进(PMP)为动力的外骨骼:根据比目鱼肌的肌电以及步行平板所收集的前后地面反作用力的实时数据调控外骨骼激活的时间及幅度。PMP 控制系统仅在支撑相肢体遇到来自前方的地面反作用力时提供与比目鱼肌肌电活动相称的踝跖屈力矩。红色高亮区域代表外骨骼激活的时段。

5 名卒中患者接受了试验。每名患者在步行平板上进行下列活动:1. 患侧不穿戴外骨骼步行(NoEXO);2. 患侧穿戴外骨骼,但不安装动力辅助装置(UnPOW);3. 患侧穿戴动力辅助的外骨骼(POW)。每种情况均测试 5 分钟,期间休息 5 分钟。POW 重复 3 次共 15 分钟。平板速度设定为患者自选速度的 75%,自选速度为患者 10 米直道上自觉舒适的行走速度。

患者步行时佩戴安全设备,这些设备并不给予减重支持。告知患者尽量不使用平板两侧的扶手,但有 2 名患者没有扶手帮助无法完成测试。

使用 8 相机运动分析系统采集运动学数据,使用平板设备收集动力学数据。共有 6 个独立标记追踪下肢活动。所有的 GRF、关节力学和表面肌电图结果均选取每次步行的最后一分钟(至少 10 步数据)进行分析。

患者步行时佩戴便携式代谢仪记录步行耗氧量及二氧化碳排出量。步行前先收集 5 分钟站立时的代谢能量消耗。所有站立及步行测试均取最后 2 分钟的平均值进行分析。耗氧量及二氧化碳排出量通过 Brockway 公式转换为代谢量。步行的净代谢量由步行代谢量减去站立代谢量得出。

研究结果发现患者穿戴外骨骼比未穿戴时患踝跖屈力矩增加了 16%。虽然患踝力矩增加,但患踝的主动活动并未增加,其他力学变量也没有变化。外骨骼辅助似乎可以逐渐降低每 5 分钟的净代谢量,但无统计学意义。3 名患者佩戴踝外骨骼时,在动力辅助情况下比无辅助时支撑相推进期患侧比目鱼肌激活下降:第一次 POW 肌电幅度总体下降 24%,第二次 POW 下降 31%,第三次 POW 下降 35%。

该可行性研究发现以神经力学为动力的踝外骨骼可以增加患踝力矩。未来需进行更长时间步行及更大样本量的研究以评估踝外骨骼在卒中后患者步行中的效果。

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编辑: 杨洁

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