現(xiàn)有膝關(guān)節(jié)助力器的若干問(wèn)題及改進(jìn)建議

鄭朝輝，戴雪松，錢菁

（1.浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院，浙江杭州 310009；2.浙江省青春醫(yī)院，浙江杭州 310020）

眾所周知，膝關(guān)節(jié)損傷對(duì)中老年人群和運(yùn)動(dòng)員是一種常見(jiàn)病，大多數(shù)中老年人膝關(guān)節(jié)都存在退行性病理改變，還有運(yùn)動(dòng)受傷。其表現(xiàn)為半月盤損傷、韌帶或肌肉受傷、骨質(zhì)疏松等，輕者影響生活質(zhì)量，重者要進(jìn)行手術(shù)，往往在手術(shù)以后會(huì)有很長(zhǎng)的康復(fù)治療階段，很多人常常采用拐杖支護(hù)，這當(dāng)然會(huì)帶來(lái)生活不便?，F(xiàn)在很多國(guó)家都在應(yīng)用一種《膝關(guān)節(jié)助力器》并且已經(jīng)成為商品，它外置在體外，而且不影響觀感，因此得到廣大患者的喜歡，但是這類膝關(guān)節(jié)助力器大多從感性經(jīng)驗(yàn)出發(fā)設(shè)計(jì)，對(duì)膝關(guān)節(jié)的生物力學(xué)作用原理考慮不充分，因此效果有限，使用不當(dāng)還會(huì)造成傷害。因此，本文擬對(duì)現(xiàn)有膝關(guān)節(jié)助力器的若干問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)，并借此提出改進(jìn)建議，以使膝關(guān)節(jié)患者得到更好的康復(fù)保護(hù)。

1 膝關(guān)節(jié)傳力機(jī)理

膝關(guān)節(jié)是人體最完善最復(fù)雜的關(guān)節(jié)，它負(fù)重多又運(yùn)動(dòng)量大，是下肢活動(dòng)的樞紐。膝關(guān)節(jié)屬于結(jié)構(gòu)十分完善的滑膜關(guān)節(jié)，它不僅具備滑膜關(guān)節(jié)必備的關(guān)節(jié)面、關(guān)節(jié)腔和關(guān)節(jié)囊這些主要結(jié)構(gòu)，而且還具有像半月板、韌帶、滑囊和脂肪墊等輔助結(jié)構(gòu)。由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)量大，所以其傷病率位居所有關(guān)節(jié)之首。因此，了解膝關(guān)節(jié)的生物力學(xué)性質(zhì)和行為，有助于更好的理解膝關(guān)節(jié)各類損傷的根源及關(guān)節(jié)退行性改變的病理學(xué)，作為正確設(shè)計(jì)各類膝關(guān)節(jié)傷病后的康復(fù)方案、和各類人體膝關(guān)節(jié)助力器的依據(jù)。

圖1膝關(guān)節(jié)構(gòu)造示意圖

現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外發(fā)表的，從生物力學(xué)角度來(lái)研究膝關(guān)節(jié)傳力機(jī)制的論文已經(jīng)多達(dá)數(shù)百篇，本文簡(jiǎn)單介紹有關(guān)計(jì)算模型[1-10]，將其歸納為以下幾類：

表1膝關(guān)節(jié)傳力機(jī)制模型的分類簡(jiǎn)介

根據(jù)以上文獻(xiàn)，可了解到膝關(guān)節(jié)受力和運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)：膝關(guān)節(jié)傳力結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，不是單靠骨骼傳力，而是靠骨骼、韌帶和肌肉的協(xié)同作用[2][3]；髕骨在運(yùn)動(dòng)時(shí)的軌跡不是作節(jié)點(diǎn)固定軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，而是復(fù)雜變化的瞬心螺旋型的空間運(yùn)動(dòng)曲線[4][5]；膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)韌帶具有重要作用，在運(yùn)動(dòng)不當(dāng)時(shí)很容易受傷，因此應(yīng)該加強(qiáng)保護(hù)[6][7]；屈曲運(yùn)動(dòng)時(shí)，股骨在關(guān)節(jié)接觸面相對(duì)脛骨產(chǎn)生后移，使上下傳力產(chǎn)生偏心，因此產(chǎn)生彎矩，造成其接觸面應(yīng)力分布不均勻，在走臺(tái)階時(shí)，其最大峰值會(huì)比平均應(yīng)力大十余倍，也許這是膝關(guān)節(jié)軟骨容易磨損的重要原因[8][9][10][11]。

2 已上市專利產(chǎn)品存在的共性問(wèn)題

目前市面上已經(jīng)有德國(guó)、美國(guó)以及我國(guó)自己的專利產(chǎn)品（見(jiàn)圖2）。它們的構(gòu)造大致相同，即在膝蓋處設(shè)置固定軸，連接上下助力桿，它們分別用活動(dòng)綁帶固定在大小腿部。這類專利產(chǎn)品存在一些共性問(wèn)題：①?zèng)]有考慮患者膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)受傷的具體情況，而是設(shè)計(jì)了一種固定的軸心連桿形式，由上述介紹可知，膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)模式并非是一個(gè)簡(jiǎn)單的伸屈運(yùn)動(dòng)，而是一個(gè)兼有伸屈、滾動(dòng)、滑動(dòng)、側(cè)移和軸位旋轉(zhuǎn)的復(fù)雜的多自由度的運(yùn)動(dòng)模式。它并非圍繞著同一個(gè)固定的中心旋轉(zhuǎn)，而是在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生多個(gè)瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)中心。這種將旋轉(zhuǎn)中心固定的助力器產(chǎn)品，對(duì)關(guān)節(jié)的保護(hù)都會(huì)產(chǎn)生副作用，因?yàn)橥庵玫倪B桿軸心不可能和人體膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)彎曲時(shí)的瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)中心總是重合，可能會(huì)加重傷情。②沒(méi)有考慮如何設(shè)法減少偏心影響和應(yīng)力峰值增加，膝關(guān)節(jié)在伸屈運(yùn)動(dòng)時(shí)，股脛力線的作用點(diǎn)會(huì)向后側(cè)偏移，產(chǎn)生了向后側(cè)偏心，當(dāng)屈曲大于90度以上時(shí)還會(huì)向內(nèi)側(cè)偏移，并使接觸面減少，使膝關(guān)節(jié)受到軸向應(yīng)力和力矩雙重作用，其結(jié)果是股脛關(guān)節(jié)接觸面減少，應(yīng)力增加。因?yàn)閼?yīng)力分布不均勻而產(chǎn)生峰值，從而導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)受傷。③沒(méi)有專門考慮對(duì)韌帶保護(hù)措施，如施加預(yù)應(yīng)力使其運(yùn)動(dòng)時(shí)拉力減少等，而一般膝關(guān)節(jié)助力器在安裝時(shí)并不受力，要等走路和上臺(tái)階時(shí)，才通過(guò)股骨、脛骨之間的張力帶的摩擦力，依靠連桿和轉(zhuǎn)軸傳遞部分重力，在膝關(guān)節(jié)伸屈、內(nèi)旋、外旋運(yùn)動(dòng)時(shí)相應(yīng)韌帶就會(huì)受到牽拉，當(dāng)以上運(yùn)動(dòng)速度過(guò)快、用力過(guò)猛時(shí)，會(huì)導(dǎo)致韌帶瞬間拉力過(guò)大而拉傷，使關(guān)節(jié)受力失去平衡，進(jìn)一步導(dǎo)致半月板或韌帶受傷，因而膝關(guān)節(jié)保護(hù)器應(yīng)該考慮對(duì)韌帶的保護(hù)。④沒(méi)有考慮運(yùn)動(dòng)中各種韌帶拉力的變化，無(wú)法進(jìn)行有針對(duì)性的預(yù)張力的調(diào)節(jié)；膝關(guān)節(jié)在伸屈不同角度時(shí)，前后交叉韌帶張力會(huì)產(chǎn)生相反方向變化，在內(nèi)外翻時(shí)，內(nèi)外側(cè)副韌帶受力也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)變化，當(dāng)單向變化過(guò)大就會(huì)使某一處韌帶以及相應(yīng)關(guān)節(jié)組織受傷，因?yàn)闆](méi)有考慮到這種受力變化，也就無(wú)法對(duì)膝關(guān)節(jié)進(jìn)行有針對(duì)性的預(yù)調(diào)節(jié)保護(hù)。⑤沒(méi)有預(yù)警控制，腿上的張力帶松緊較難控制，且不知道帶多長(zhǎng)時(shí)間會(huì)影響血液流通，而使腿部肌肉受到傷害，而需控制在一定時(shí)候放松幾分鐘再用。

圖2各種膝蓋助力器專利產(chǎn)品示意圖

3 一種新的膝關(guān)節(jié)助力器改進(jìn)建議

3.1 一種新的膝關(guān)節(jié)助力器的構(gòu)造說(shuō)明

我們?cè)谘芯苛讼リP(guān)節(jié)傳力機(jī)理的基礎(chǔ)上，針對(duì)現(xiàn)有膝關(guān)節(jié)助力器的問(wèn)題，特設(shè)計(jì)了一種新的膝關(guān)節(jié)助力器（詳見(jiàn)圖3），具體構(gòu)造說(shuō)明見(jiàn)圖3、4所示，其包括固定在中間膝關(guān)節(jié)部位的保護(hù)墊（1），在保護(hù)墊外側(cè)設(shè)置了一個(gè)孔（9）以利髕骨活動(dòng)和散熱，設(shè)于股骨下段和脛骨上段的多個(gè)張力圈（12-17），對(duì)稱設(shè)置在股骨兩側(cè)的上助力桿（4）和對(duì)稱設(shè)置在脛骨兩側(cè)的下助力桿（5），其上助力桿一端通過(guò)滑動(dòng)鉸（10）活動(dòng)連接在所述保護(hù)墊上，另一端鉸接（19）在股骨處最上端的張力圈上，當(dāng)下肢運(yùn)動(dòng)時(shí)，滑動(dòng)鉸會(huì)左右滑動(dòng)，以使上下腿彎曲時(shí)傳力流暢，其偏心距也會(huì)相應(yīng)產(chǎn)生變化，這樣也可更加適應(yīng)膝關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)時(shí)，其旋轉(zhuǎn)中心的變化，使在任何情況下都能夠部分補(bǔ)償脛股間力線產(chǎn)生的向內(nèi)偏心；其下助力桿一端通過(guò)固定鉸（11）連接在中間保護(hù)墊上，另一端鉸接（19）在脛骨處最下端的張力圈上，所述滑動(dòng)鉸和固定鉸間設(shè)置一個(gè)偏心距e，使行走伸屈運(yùn)動(dòng)時(shí)，膝關(guān)節(jié)處的股脛間傳力處，產(chǎn)生一個(gè)向前的反向偏心力矩，以抵消部分膝關(guān)節(jié)伸屈運(yùn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的股骨脛骨間傳力線向后偏心的影響，使股骨脛骨間的接觸面應(yīng)力分布更均勻。它在連接保護(hù)墊上下的張力圈之間設(shè)置一對(duì)斜向拉力彈簧（2、3），并在其下方的保護(hù)墊相應(yīng)處設(shè)置了加勁片（6、7），安裝時(shí)先對(duì)拉力彈簧按需要進(jìn)行預(yù)牽張，使膝關(guān)節(jié)處于預(yù)張力狀態(tài)，當(dāng)膝關(guān)節(jié)伸屈運(yùn)動(dòng)時(shí)，外側(cè)彈簧進(jìn)一步拉緊，內(nèi)側(cè)彈簧放松，給膝關(guān)節(jié)增加了一個(gè)反向力矩，從而使韌帶的最終拉力減少，起到保護(hù)韌帶不被拉傷的作用。它在助力桿與張力圈交叉處設(shè)有套箍（18），助力桿和張力圈分別穿過(guò)套箍，并可相互自由滑動(dòng)。在保護(hù)墊內(nèi)側(cè)還設(shè)有智能預(yù)警裝置（21），包括用于監(jiān)測(cè)膝關(guān)節(jié)處溫度的溫度傳感器，藍(lán)牙傳輸單元，和用于處理溫度傳感器獲得數(shù)據(jù)的微型處理器，以及三軸加速度傳感器，它們可通過(guò)藍(lán)牙傳輸單元，將設(shè)定的有關(guān)控制數(shù)據(jù)傳送至手機(jī)客戶端，超過(guò)閾值則發(fā)送警報(bào)至手機(jī)客戶端，從而提醒使用者需要松開(kāi)張力圈，避免因張力圈太緊或者時(shí)間太久，造成散熱不良而使肌肉腫脹發(fā)熱、血液阻滯等問(wèn)題。

圖3膝蓋運(yùn)動(dòng)助力器構(gòu)造示意圖

圖4滑動(dòng)鉸和固定鉸偏心連接示意圖

3.2 一種新的膝關(guān)節(jié)助力器的特點(diǎn)

它同樣包括固定在中間膝關(guān)節(jié)部位的保護(hù)墊，在股骨下段和脛骨上段設(shè)置了多個(gè)張力圈，以便將部分力傳遞到助力器，在股骨兩側(cè)對(duì)稱設(shè)置了上助力桿和在脛骨兩側(cè)的對(duì)稱設(shè)置了下助力桿，它們一端都鉸接在上下張力圈，但其特征之處在于：將上助力桿連接在保護(hù)墊下端的固定鉸改為滑動(dòng)鉸（圖4）；其中下助力桿的上端，通過(guò)固定鉸連接在中間保護(hù)墊上，其下端鉸接在脛骨處最下端的張力圈上，在保護(hù)墊上的滑動(dòng)鉸和固定鉸間設(shè)置了一個(gè)偏心距e（圖4），使行走伸屈運(yùn)動(dòng)時(shí)，膝關(guān)節(jié)處的股脛間傳力處，產(chǎn)生一個(gè)向外的反向偏心力矩，補(bǔ)償股骨脛骨間傳力線向內(nèi)側(cè)偏心的影響，使股骨脛骨間的接觸面應(yīng)力分布更均勻。

將其中一個(gè)固定鉸改為滑動(dòng)鉸，據(jù)下肢運(yùn)動(dòng)特性，滑動(dòng)槽設(shè)置成向上凹的弧形槽（圖4），當(dāng)下肢運(yùn)動(dòng)時(shí)，滑動(dòng)鉸會(huì)左右滑動(dòng)，使上下腿彎曲時(shí)傳力流暢，其偏心距也會(huì)相應(yīng)產(chǎn)生變化，這樣可更加適應(yīng)膝關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)時(shí)，其旋轉(zhuǎn)中心的變化，使在任何情況下都能夠部分補(bǔ)償脛骨股骨間傳力線產(chǎn)生的向內(nèi)側(cè)偏心。

在與保護(hù)墊連接的上下張力圈之間設(shè)置一對(duì)斜向拉力彈簧，它們分布在上下助力桿兩側(cè)，兩端和張力圈鉸接；并安裝時(shí)先對(duì)拉力彈簧按需進(jìn)行預(yù)牽張，使膝關(guān)節(jié)處于預(yù)張力狀態(tài)，當(dāng)伸屈運(yùn)動(dòng)時(shí)，外側(cè)彈簧進(jìn)一步拉緊，內(nèi)側(cè)彈簧放松，又給膝關(guān)節(jié)增加了一個(gè)反向力矩，并使韌帶的最終拉力減少，起到保護(hù)韌帶不被拉傷的作用。并在彈簧下設(shè)置了加勁片，以減少在彈簧預(yù)張拉時(shí)保護(hù)墊的變形。

在保護(hù)墊上還設(shè)有智能預(yù)警裝置，它包括安裝在膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)，用于監(jiān)測(cè)膝關(guān)節(jié)處溫度的溫度傳感器，藍(lán)牙傳輸單元，及用于處理溫度傳感器獲得數(shù)據(jù)的微型處理器，所述微型處理器通過(guò)藍(lán)牙傳輸單元將溫度傳感器獲得的溫度數(shù)據(jù)傳送至手機(jī)客戶端；通過(guò)溫度傳感器獲知膝蓋內(nèi)側(cè)的溫度是否超出設(shè)定閾值，超過(guò)閾值則發(fā)送警報(bào)至手機(jī)客戶端，從而提醒使用者需要松開(kāi)張力圈，避免因張力圈太緊或者時(shí)間太久，造成散熱不良而使肌肉腫脹發(fā)熱、血液阻滯等問(wèn)題。

其智能預(yù)警裝置內(nèi)還設(shè)有三軸加速度傳感器，它與微處理器信號(hào)連接；通過(guò)三軸加速度傳感器獲取人物運(yùn)動(dòng)時(shí)的加速度數(shù)據(jù)，判斷患者是否已佩戴運(yùn)動(dòng)保護(hù)器開(kāi)始行走，并通過(guò)微處理器發(fā)送數(shù)據(jù)至手機(jī)客戶端，使其開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)計(jì)時(shí)超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，通過(guò)手機(jī)客戶端發(fā)出警報(bào)聲或者振動(dòng)方式提示警告，可避免因張力圈束綁時(shí)間太久，造成散熱不良而使肌肉腫脹發(fā)熱、血液阻滯等問(wèn)題。

4 發(fā)展前景

一直以來(lái)，治療和保護(hù)膝關(guān)節(jié)的手段，除藥物以外，一個(gè)是采用人工關(guān)節(jié)，另一個(gè)是外用支撐或者外用護(hù)膝類的助力器，前者要?jiǎng)哟笫中g(shù)，時(shí)效長(zhǎng)且有較大風(fēng)險(xiǎn)；而外用支撐會(huì)影響生活質(zhì)量，用一般助力器效果有限，若應(yīng)用不當(dāng)，反而會(huì)傷害膝蓋。因此本研究根據(jù)對(duì)膝蓋的生物力學(xué)分析，提出了改進(jìn)方案，初步應(yīng)用了人工智能元件進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制?？紤]到近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)外大數(shù)據(jù)和人工智能應(yīng)用范圍的開(kāi)拓，已有不少文獻(xiàn)介紹了人工智能在外置下肢康復(fù)機(jī)械的研究[12-14]，這些外置下肢康復(fù)機(jī)械，雖然效果不錯(cuò)，但是使用很不方便，會(huì)影響生活質(zhì)量，因?yàn)槭袌?chǎng)上缺少一種方便有效的膝蓋助力器，所以還有不少人正在積極研究。本研究現(xiàn)在是起步階段，后期可以借鑒人工智能技術(shù)在服裝中的應(yīng)用技術(shù)[15-16]，比如上述文獻(xiàn)中介紹了智能服裝的發(fā)展分為3個(gè)階段，第1階段是將電子器件附加在服裝上，第2階段是將電子器件嵌人服裝內(nèi)，第3階段是服裝本身將成為電子器件。本研究后期可以借鑒它第1階段外置的溫度傳感器、濕度傳感器和應(yīng)變傳感器，設(shè)置在膝蓋助力器的外表，用于測(cè)試和信號(hào)傳遞。進(jìn)一步可以模仿智能服裝將電子器件的纖維化，然后制作在助力器連接布料內(nèi)部，還可以借鑒智能服裝應(yīng)用的熱響應(yīng)變形材料，制作固定綁帶，當(dāng)綁帶太緊、時(shí)間太長(zhǎng)而發(fā)熱，使患者不舒服時(shí)，傳感器會(huì)將信號(hào)傳給，由熱響應(yīng)變形材料制作固定綁帶，使其自動(dòng)放松到舒適的程度；還可借鑒智能服裝上自帶的太陽(yáng)能發(fā)電和摩擦發(fā)電裝置，解決電源問(wèn)題等等。對(duì)此發(fā)展前景較為樂(lè)觀。本文提出的助力器方案，最大的優(yōu)點(diǎn)是性價(jià)比高，而且穿戴使用較方便，這是目前文獻(xiàn)中未提及的，但是結(jié)合運(yùn)用有關(guān)人工智能技術(shù)尚在探索中。