王禎祥 尚 昆 阮 超 趙偉欽 郭 丹

（上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海200093）

引言：根據(jù)2006年國務(wù)院殘疾人工作委員會(huì)抽樣調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，全國肢體殘疾人數(shù)約為2400萬人[1]。近年來，隨著工業(yè)、交通業(yè)的迅速發(fā)展，這一數(shù)字正以驚人的速度增加，極大地增加了社會(huì)的負(fù)擔(dān)。在現(xiàn)有醫(yī)療水平尚不能使肢體再生的情況下，為了幫助肢體殘疾者恢復(fù)一定的生活自理和工作能力，提高其生活質(zhì)量，為殘疾人開發(fā)和研制現(xiàn)代化舒適的假肢產(chǎn)品成為國內(nèi)外假肢行業(yè)的一項(xiàng)重要任務(wù)。

假肢的作用是代償肢體傷殘者所失去的部分肢體功能，使其恢復(fù)一定的生活自理和工作能力。在現(xiàn)今假肢行業(yè)中,踝關(guān)節(jié)假肢作為人體下肢的重要組成部分，也是最為靈活的部分。在理論研究和實(shí)用產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面都有很大的發(fā)展，但與髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)假肢的設(shè)計(jì)和產(chǎn)品相比，相關(guān)研究都比較滯后，使得假肢踝關(guān)節(jié)產(chǎn)品未能很好的滿足假肢患者的需求。

本文從生物力學(xué)、解剖學(xué)和生理學(xué)角度出發(fā)[2-3]，分析了踝關(guān)節(jié)在行走過程中的步態(tài)運(yùn)動(dòng)規(guī)律、受力特點(diǎn)和生理功能?；诜律鷮W(xué)原理，設(shè)計(jì)了踝關(guān)節(jié)假肢的機(jī)械結(jié)構(gòu)，完成了假肢產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)的前期工作。

1 踝關(guān)節(jié)的生物力學(xué)分析

踝關(guān)節(jié)是既穩(wěn)定又靈活的負(fù)重關(guān)節(jié)，是人體與地面接觸的樞紐。人體能夠完成站立、行走、下蹲、跑跳等動(dòng)作，與踝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)及肌肉的動(dòng)力作用密切相關(guān)。在人體行走的整個(gè)步態(tài)周期中踝關(guān)節(jié)起著至關(guān)重要的作用。在著地支撐階段，腳跟著地后踝關(guān)節(jié)背屈吸收地面給人體的沖力，當(dāng)沖力下降到足夠小時(shí)，屈曲停止，開始回復(fù)，使身體重心始終保持水平動(dòng)量，繞支撐腳轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)從支撐階段到推進(jìn)階段的平穩(wěn)過渡。在整個(gè)后蹬階段，由蹬地腿的彎曲位置開始踝關(guān)節(jié)伸展跖屈為行走提供動(dòng)力，在擺動(dòng)階段從腳尖離地開始擺動(dòng)腿稍折疊踝關(guān)節(jié)，使足向前擺動(dòng)保證運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。

臨床實(shí)驗(yàn)研究和分析發(fā)現(xiàn)踝關(guān)節(jié)在腳跟著地時(shí)產(chǎn)生輕微的背屈作用力。隨著承重的增加很快產(chǎn)生跖屈作用力，跖屈作用力在足平著地時(shí)達(dá)到最大，從支撐中期開始產(chǎn)生較強(qiáng)的背屈作用力，并在蹬離期達(dá)到最大。整個(gè)人體步態(tài)周期中踝關(guān)節(jié)的角度變化如圖1所示。在足平著地和支撐中期關(guān)節(jié)跖屈達(dá)到15°，后脛骨向前方旋轉(zhuǎn)至約3°，背屈位之后背屈繼續(xù)增大，到蹬離期漸漸跖屈至腳趾，離地期跖屈至最大角度20°，之后在背屈肌群的作用下產(chǎn)生背屈至最大5°，使腳尖順利抬起。整個(gè)過程中踝背屈肌群主要是為保護(hù)踝關(guān)節(jié)，不至使其急劇跖屈損壞關(guān)節(jié)。而跖屈肌群則是起到阻尼作用防止背屈，同時(shí)驅(qū)動(dòng)和防止膝猝屈，也為腳尖順利抬起提供動(dòng)力。作為人體最為靈活的關(guān)節(jié)，踝關(guān)節(jié)除了有冠狀面的跖屈、背屈運(yùn)動(dòng)外同時(shí)還有內(nèi)外翻和內(nèi)外旋運(yùn)動(dòng)，這些運(yùn)動(dòng)有效的保證了踝關(guān)節(jié)正常的功能，最大程度的滿足了人體運(yùn)動(dòng)的要求。踝關(guān)節(jié)的功能主要是背屈、跖屈與負(fù)重，因此在踝關(guān)節(jié)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)中，既要保持其負(fù)重的穩(wěn)定性，又須注意活動(dòng)的靈活性。

2 踝關(guān)節(jié)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于人體生理學(xué)、人體解剖學(xué)、人體生物力學(xué)的原理和人體踝關(guān)節(jié)在步行時(shí)的受力特點(diǎn)和生理功能，對踝關(guān)節(jié)假肢的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，整個(gè)踝關(guān)節(jié)假肢的機(jī)械結(jié)構(gòu)由三部分組成，分別為穩(wěn)定性機(jī)械結(jié)構(gòu)部分、屈伸運(yùn)動(dòng)功能機(jī)械結(jié)構(gòu)部分和輔助裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)部分。

2.1 穩(wěn)定性機(jī)械結(jié)構(gòu)。穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)[4]是踝關(guān)節(jié)在正常運(yùn)動(dòng)過程中，保證其平穩(wěn)的在矢狀面內(nèi)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)能夠在其它矢量平面內(nèi)也有分運(yùn)動(dòng)，但是變化角度都比較小。這樣既可以增加關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的靈活性和適應(yīng)性，同時(shí)也要模仿人體自身踝關(guān)節(jié)的內(nèi)外側(cè)三角韌帶，當(dāng)關(guān)節(jié)角度變化很大時(shí)可以及時(shí)的調(diào)整關(guān)節(jié)回到正常的穩(wěn)定區(qū)域。正常的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)變化是限制在一定的角度范圍，這是與韌帶自身產(chǎn)生的拉力變化以及回復(fù)能力相關(guān)聯(lián)的。韌帶的變化既要保證關(guān)節(jié)有一定的運(yùn)動(dòng)變化范圍，同時(shí)也可以回復(fù)到原始的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。踝韌帶對踝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性起著重要的作用。當(dāng)人體在正常行走過程中，如果路面存在一定的不平整性，踝關(guān)節(jié)的內(nèi)外翻運(yùn)動(dòng)可以有效的保證人體運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，以及防止踝關(guān)節(jié)著地緩沖時(shí)造成關(guān)節(jié)損傷。所以韌帶模型的設(shè)計(jì)是踝關(guān)節(jié)模型設(shè)計(jì)的重要組成部分。韌帶在踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)起到拉力以保證踝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性的作用，并且這種力學(xué)關(guān)系是屬于非線性的，因此采用非線性的壓簧模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，踝關(guān)節(jié)具體運(yùn)動(dòng)模型和穩(wěn)定性模型分別見圖2和圖3，踝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖2 踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)模型

2.2 屈伸運(yùn)動(dòng)功能機(jī)械結(jié)構(gòu)。屈伸運(yùn)動(dòng)是通過絲桿、滾子、軸承等轉(zhuǎn)動(dòng)或傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。踝關(guān)節(jié)在矢狀面的背屈、跖屈運(yùn)動(dòng)是通過絲桿在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中帶動(dòng)下面的軸承在規(guī)定的角度范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)絲桿的旋轉(zhuǎn)作用帶動(dòng)滾子做上下運(yùn)動(dòng)，并通過軸承運(yùn)動(dòng)軌跡的限定裝置來實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)和幅度是在一定的限制范圍內(nèi)，但又必須能夠滿足正常人體踝關(guān)節(jié)的屈伸運(yùn)動(dòng)變化范圍，最終來實(shí)現(xiàn)踝關(guān)節(jié)的屈伸運(yùn)動(dòng)功能，具體設(shè)計(jì)的踝關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動(dòng)功能的機(jī)械結(jié)構(gòu)模型如圖5所示。

圖3 踝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性模型

圖4 穩(wěn)定性機(jī)械結(jié)構(gòu)

2.3 輔助裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)。輔助裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)主要是為了固定軸承與軸承之間的距離，同時(shí)起到支撐和固定踝關(guān)節(jié)的作用，保證整體設(shè)計(jì)的美觀性和合理性。輔助裝置具體部件如圖6箭頭表示的零部件。

結(jié)論：本文從生物力學(xué)、解剖學(xué)和生理學(xué)角度出發(fā)，分析了踝關(guān)節(jié)在行走過程中的步態(tài)運(yùn)動(dòng)規(guī)律、受力特點(diǎn)和生理功能。基于仿生學(xué)原理，設(shè)計(jì)了踝關(guān)節(jié)假肢的機(jī)械結(jié)構(gòu)，通過SOLIDWORKS三維實(shí)體開發(fā)平臺進(jìn)行仿生踝關(guān)節(jié)的實(shí)體建模，繪制了相關(guān)部件的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖，完成了假肢產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)的前期工作。

[1]中華人民共和國國家統(tǒng)計(jì)局.2006年第二次全國殘疾人抽樣調(diào)查主要數(shù)據(jù)公報(bào) [J].中國康復(fù)理論與實(shí)踐,2006(12):1013.

[2]華佳,顧海燕,王偉力等.正常踝關(guān)節(jié)內(nèi)外側(cè)韌帶的解剖及其影像學(xué)表現(xiàn) [J].解剖學(xué)雜志，2007,30(5):609-613.

[3]毛賓堯.人工踝關(guān)節(jié)外科學(xué)[M].人民軍醫(yī)出版社,2005.

[4]夏昊昕.下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的研究[D].哈爾濱工程大學(xué),2003.