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)損傷對中老年人群和運動員是一種常見病，大多數(shù)中老年人膝關(guān)節(jié)都存在退行性病理改變，還有運動受傷。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，重者要進行手術(shù)，往往在手術(shù)以后會有很長的康復(fù)治療階段，很多人常常采用拐杖支護，這當(dāng)然會帶來生活不便?，F(xiàn)在很多國家都在應(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)驗出發(fā)設(shè)計，對膝關(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)還會造成傷害。因此，本文擬對現(xiàn)有膝關(guān)節(jié)助力器的若干問題進行總結(jié)，并借此提出改進建議，以使膝關(guān)節(jié)患者得到更好的康復(fù)保護。

1 膝關(guān)節(jié)傳力機理

膝關(guān)節(jié)是人體最完善最復(fù)雜的關(guān)節(jié)，它負(fù)重多又運動量大，是下肢活動的樞紐。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，運動量大，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)在國內(nèi)外發(fā)表的，從生物力學(xué)角度來研究膝關(guān)節(jié)傳力機制的論文已經(jīng)多達(dá)數(shù)百篇，本文簡單介紹有關(guān)計算模型[1-10]，將其歸納為以下幾類：

表1膝關(guān)節(jié)傳力機制模型的分類簡介

根據(jù)以上文獻，可了解到膝關(guān)節(jié)受力和運動的特點：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]；髕骨在運動時的軌跡不是作節(jié)點固定軸的轉(zhuǎn)動，而是復(fù)雜變化的瞬心螺旋型的空間運動曲線[4][5]；膝關(guān)節(jié)運動時韌帶具有重要作用，在運動不當(dāng)時很容易受傷，因此應(yīng)該加強保護[6][7]；屈曲運動時，股骨在關(guān)節(jié)接觸面相對脛骨產(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，在走臺階時，其最大峰值會比平均應(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)品存在的共性問題

目前市面上已經(jīng)有德國、美國以及我國自己的專利產(chǎn)品（見圖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，它們分別用活動綁帶固定在大小腿部。這類專利產(chǎn)品存在一些共性問題：①沒有考慮患者膝關(guān)節(jié)運動受傷的具體情況，而是設(shè)計了一種固定的軸心連桿形式，由上述介紹可知，膝關(guān)節(jié)的運動模式并非是一個簡單的伸屈運動，而是一個兼有伸屈、滾動、滑動、側(cè)移和軸位旋轉(zhuǎn)的復(fù)雜的多自由度的運動模式。它并非圍繞著同一個固定的中心旋轉(zhuǎn)，而是在運動過程中產(chǎn)生多個瞬時旋轉(zhuǎn)中心。這種將旋轉(zhuǎn)中心固定的助力器產(chǎn)品，對關(guān)節(jié)的保護都會產(chǎn)生副作用，因為外置的連桿軸心不可能和人體膝關(guān)節(jié)運動彎曲時的瞬時旋轉(zhuǎn)中心總是重合，可能會加重傷情。②沒有考慮如何設(shè)法減少偏心影響和應(yīng)力峰值增加，膝關(guān)節(jié)在伸屈運動時，股脛力線的作用點會向后側(cè)偏移，產(chǎn)生了向后側(cè)偏心，當(dāng)屈曲大于90度以上時還會向內(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。因為應(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沒有專門考慮對韌帶保護措施，如施加預(yù)應(yīng)力使其運動時拉力減少等，而一般膝關(guān)節(jié)助力器在安裝時并不受力，要等走路和上臺階時，才通過股骨、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、外旋運動時相應(yīng)韌帶就會受到牽拉，當(dāng)以上運動速度過快、用力過猛時，會導(dǎo)致韌帶瞬間拉力過大而拉傷，使關(guān)節(jié)受力失去平衡，進一步導(dǎo)致半月板或韌帶受傷，因而膝關(guān)節(jié)保護器應(yīng)該考慮對韌帶的保護。④沒有考慮運動中各種韌帶拉力的變化，無法進行有針對性的預(yù)張力的調(diào)節(jié)；膝關(guān)節(jié)在伸屈不同角度時，前后交叉韌帶張力會產(chǎn)生相反方向變化，在內(nèi)外翻時，內(nèi)外側(cè)副韌帶受力也會產(chǎn)生相應(yīng)變化，當(dāng)單向變化過大就會使某一處韌帶以及相應(yīng)關(guān)節(jié)組織受傷，因為沒有考慮到這種受力變化，也就無法對膝關(guān)節(jié)進行有針對性的預(yù)調(diào)節(jié)保護。⑤沒有預(yù)警控制，腿上的張力帶松緊較難控制，且不知道帶多長時間會影響血液流通，而使腿部肌肉受到傷害，而需控制在一定時候放松幾分鐘再用。

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)助力器改進建議

3.1 一種新的膝關(guān)節(jié)助力器的構(gòu)造說明

我們在研究了膝關(guān)節(jié)傳力機理的基礎(chǔ)上，針對現(xiàn)有膝關(guān)節(jié)助力器的問題，特設(shè)計了一種新的膝關(guān)節(jié)助力器（詳見圖3），具體構(gòu)造說明見圖3、4所示，其包括固定在中間膝關(guān)節(jié)部位的保護墊（1），在保護墊外側(cè)設(shè)置了一個孔（9）以利髕骨活動和散熱，設(shè)于股骨下段和脛骨上段的多個張力圈（12-17），對稱設(shè)置在股骨兩側(cè)的上助力桿（4）和對稱設(shè)置在脛骨兩側(cè)的下助力桿（5），其上助力桿一端通過滑動鉸（10）活動連接在所述保護墊上，另一端鉸接（19）在股骨處最上端的張力圈上，當(dāng)下肢運動時，滑動鉸會左右滑動，以使上下腿彎曲時傳力流暢，其偏心距也會相應(yīng)產(chǎn)生變化，這樣也可更加適應(yīng)膝關(guān)節(jié)在運動時，其旋轉(zhuǎn)中心的變化，使在任何情況下都能夠部分補償脛股間力線產(chǎn)生的向內(nèi)偏心；其下助力桿一端通過固定鉸（11）連接在中間保護墊上，另一端鉸接（19）在脛骨處最下端的張力圈上，所述滑動鉸和固定鉸間設(shè)置一個偏心距e，使行走伸屈運動時，膝關(guān)節(jié)處的股脛間傳力處，產(chǎn)生一個向前的反向偏心力矩，以抵消部分膝關(guān)節(jié)伸屈運動時，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。它在連接保護墊上下的張力圈之間設(shè)置一對斜向拉力彈簧（2、3），并在其下方的保護墊相應(yīng)處設(shè)置了加勁片（6、7），安裝時先對拉力彈簧按需要進行預(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)伸屈運動時，外側(cè)彈簧進一步拉緊，內(nèi)側(cè)彈簧放松，給膝關(guān)節(jié)增加了一個反向力矩，從而使韌帶的最終拉力減少，起到保護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套箍，并可相互自由滑動。在保護墊內(nèi)側(cè)還設(shè)有智能預(yù)警裝置（21），包括用于監(jiān)測膝關(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)傳送至手機客戶端，超過閾值則發(fā)送警報至手機客戶端，從而提醒使用者需要松開張力圈，避免因張力圈太緊或者時間太久，造成散熱不良而使肌肉腫脹發(fā)熱、血液阻滯等問題。

圖3膝蓋運動助力器構(gòu)造示意圖

圖4滑動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

它同樣包括固定在中間膝關(guān)節(jié)部位的保護墊，在股骨下段和脛骨上段設(shè)置了多個張力圈，以便將部分力傳遞到助力器，在股骨兩側(cè)對稱設(shè)置了上助力桿和在脛骨兩側(cè)的對稱設(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墊下端的固定鉸改為滑動鉸（圖4）；其中下助力桿的上端，通過固定鉸連接在中間保護墊上，其下端鉸接在脛骨處最下端的張力圈上，在保護墊上的滑動鉸和固定鉸間設(shè)置了一個偏心距e（圖4），使行走伸屈運動時，膝關(guān)節(jié)處的股脛間傳力處，產(chǎn)生一個向外的反向偏心力矩，補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。

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

在與保護墊連接的上下張力圈之間設(shè)置一對斜向拉力彈簧，它們分布在上下助力桿兩側(cè)，兩端和張力圈鉸接；并安裝時先對拉力彈簧按需進行預(yù)牽張，使膝關(guān)節(jié)處于預(yù)張力狀態(tài)，當(dāng)伸屈運動時，外側(cè)彈簧進一步拉緊，內(nèi)側(cè)彈簧放松，又給膝關(guān)節(jié)增加了一個反向力矩，并使韌帶的最終拉力減少，起到保護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)張拉時保護墊的變形。

在保護墊上還設(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)傳送至手機客戶端；通過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，超過閾值則發(fā)送警報至手機客戶端，從而提醒使用者需要松開張力圈，避免因張力圈太緊或者時間太久，造成散熱不良而使肌肉腫脹發(fā)熱、血液阻滯等問題。

其智能預(yù)警裝置內(nèi)還設(shè)有三軸加速度傳感器，它與微處理器信號連接；通過三軸加速度傳感器獲取人物運動時的加速度數(shù)據(jù)，判斷患者是否已佩戴運動保護器開始行走，并通過微處理器發(fā)送數(shù)據(jù)至手機客戶端，使其開始計時，當(dāng)計時超過設(shè)定閾值時，通過手機客戶端發(fā)出警報聲或者振動方式提示警告，可避免因張力圈束綁時間太久，造成散熱不良而使肌肉腫脹發(fā)熱、血液阻滯等問題。

4 發(fā)展前景

一直以來，治療和保護膝關(guān)節(jié)的手段，除藥物以外，一個是采用人工關(guān)節(jié)，另一個是外用支撐或者外用護膝類的助力器，前者要動大手術(shù)，時效長且有較大風(fēng)險；而外用支撐會影響生活質(zhì)量，用一般助力器效果有限，若應(yīng)用不當(dāng)，反而會傷害膝蓋。因此本研究根據(jù)對膝蓋的生物力學(xué)分析，提出了改進方案，初步應(yīng)用了人工智能元件進行監(jiān)測控制?？紤]到近幾年來國內(nèi)外大數(shù)據(jù)和人工智能應(yīng)用范圍的開拓，已有不少文獻介紹了人工智能在外置下肢康復(fù)機械的研究[12-14]，這些外置下肢康復(fù)機械，雖然效果不錯，但是使用很不方便，會影響生活質(zhì)量，因為市場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]，比如上述文獻中介紹了智能服裝的發(fā)展分為3個階段，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，用于測試和信號傳遞。進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、時間太長而發(fā)熱，使患者不舒服時，傳感器會將信號傳給，由熱響應(yīng)變形材料制作固定綁帶，使其自動放松到舒適的程度；還可借鑒智能服裝上自帶的太陽能發(fā)電和摩擦發(fā)電裝置，解決電源問題等等。對此發(fā)展前景較為樂觀。本文提出的助力器方案，最大的優(yōu)點是性價比高，而且穿戴使用較方便，這是目前文獻中未提及的，但是結(jié)合運用有關(guān)人工智能技術(shù)尚在探索中。