Понимание биомеханических принципов, лежащих в основе протезного дизайна колена

Протезирование коленного сустава представляет собой одну из самых сложных задач в современной биомедицинской инженерии, требующую глубокого понимания биомеханических принципов для создания устройств, которые восстанавливают мобильность, стабильность и качество жизни для людей с трансфеморальной ампутацией. Протезные колени - это современные медицинские устройства, которые используют механические механизмы и компоненты для моделирования нормальной биологической функции коленного сустава для людей с трансфеморальной ампутацией. Разработка этих сложных устройств включает в себя интеграцию знаний из нескольких дисциплин, включая биомеханику, материаловедение, инженерию систем управления и клиническую реабилитацию для репликации сложных функций естественного человеческого колена.

Фундаментальная биомеханика колена человека

Чтобы понять протезирование коленного сустава, мы должны сначала оценить замечательную сложность биологического коленного сустава. Естественное колено служит критическим звеном в кинетической цепи передвижения человека, обеспечивая как стабильность во время несущих действий, так и подвижность во время движения. Во время нормальной ходьбы колено подвергается сложной последовательности движений сгибания и расширения, скоординированных с точным временем и силовой модуляцией.

Биологическое колено выполняет одновременно несколько существенных биомеханических функций. Оно должно поддерживать массу тела во время фазы стойки походки, поглощать удары пятки, облегчать плавное продвижение вперед во время ходьбы и допускать быстрые корректировки меняющейся местности и скорости ходьбы. Кроме того, колено должно обеспечивать проприоцептивную обратную связь с центральной нервной системой, позволяя осуществлять бессознательные корректировки, которые поддерживают равновесие и предотвращают падения.

Поскольку протезным компонентам не хватает мышц и сенсорной обратной связи, протезный дизайн опирается на механическое выравнивание, свойства материала и геометрию, чтобы максимально эффективно воспроизводить эти функции. Это фундаментальное ограничение стимулирует большую часть инноваций в технологии протезирования коленного сустава, поскольку инженеры работают над компенсацией отсутствия биологических систем управления с помощью все более сложных механических и электронных решений.

Биомеханические проблемы в протезном дизайне колена

Механические механизмы связаны с воспринимаемой ходовой производительностью, включая избегание падения, поглощение удара и симметрию походки.Понимание этих биомеханических проблем имеет важное значение для разработки протезов коленей, которые отвечают разнообразным потребностям пользователей на разных уровнях активности и функциональных возможностях.

Стабильность этапа станции

Одна из наиболее важных биомеханических проблем в протезировании коленного сустава заключается в обеспечении адекватной стабильности во время фазы стойки походки. Фаза стойки начинается, когда нога контактирует с землей при ударе пяткой и продолжается до отскока пальца ноги, что составляет примерно 60% цикла походки во время нормальной ходьбы. Во время этой фазы протез коленного сустава должен поддерживать полную массу тела пользователя, предотвращая нежелательное сгибание, которое может привести к падению.

Биологическое колено достигает стабильности положения благодаря активному мышечному контролю, особенно из группы мышц квадрицепса. При отсутствии этого мышечного контроля протез коленных суставов должен полагаться на механические или электронные системы для обеспечения эквивалентной стабильности. Эта проблема становится особенно острой во время таких действий, как нисходящие пандусы или лестницы, где гравитационные силы имеют тенденцию способствовать сгибанию колена именно в моменты, когда стабильность наиболее важна.

Ранняя стойка сгибания и шоковая абсорбция

По мере того, как ампутированный переносит вес на протез в ранней фазе стойки, колено постепенно сгибается до 15 градусов, тем самым смягчая воздействие принятия веса. Этот механизм ранней стойки (ESF) выполняет множество важных биомеханических функций. Он поглощает удар во время удара пятки, уменьшая силы удара, передаваемые через протез к остаточной конечности и остальной части тела. Он также способствует более естественному и энергоэффективному рисунку походки, имитируя легкое сгибание колена, которое происходит естественным образом во время фазы реакции нагрузки на нормальную ходьбу.

Задача при проектировании механизмов ЭЧС заключается в балансировании поглощения удара со стабильностью. Колено должно сгибаться достаточно, чтобы обеспечить адекватную амортизацию, но не настолько, чтобы это нарушало чувство безопасности пользователя или увеличивало риск застежки. Кроме того, механизм ЭЧС должен быть тщательно откалиброван до веса пользователя, скорости ходьбы и уровня активности, чтобы обеспечить оптимальную производительность в различных условиях.

Контроль фазы свинга

Фаза качения походки начинается, когда ступня покидает землю и продолжается до следующего удара пятки. Во время этой фазы протез колена должен сгибаться, чтобы позволить ноге очистить землю, а затем плавно расширяться, чтобы подготовиться к следующей фазе стойки. Биомеханическая задача заключается в контроле скорости и степени сгибания колена и расширения, чтобы соответствовать скорости ходьбы и каденции пользователя.

В биологической походке движение колена в фазе качения контролируется сложным взаимодействием мышечных сил, импульса и гравитационных эффектов. Протезные колени должны воспроизводить это естественное движение с помощью механических или электронных систем управления. Колено должно сгибаться достаточно быстро, чтобы обеспечить адекватный дорожный просвет, но не так быстро, чтобы создать неестественный или неудобный рисунок походки. Аналогично, расширение колена должно происходить с соответствующим временем и скоростью, чтобы правильно расположить ногу для следующего удара пятки.

Адаптация к переменным участкам и скорости ходьбы

Биомеханика рамп-ходов часто игнорируется. Тем не менее, способность адаптироваться к различным ландшафтам и скорости ходьбы представляет собой одну из самых значительных биомеханических проблем в протезировании коленного сустава. Пользователям нужны протезы коленей, которые могут вместить ходьбу по ровной земле, подъем и спуск по лестнице, навигацию по пандусу и переходы между различными поверхностями и наклонами.

Каждое из этих действий предъявляет различные биомеханические требования к протезу колена. Ходьба в гору требует большей силы удлинения колена и стабильности, в то время как ходьба вниз по склону требует усиленного контроля сгибания, чтобы предотвратить сгибание колена под повышенными гравитационными силами. Лестничный спуск особенно сложен, поскольку он требует контролируемого сгибания колена при поддержке массы тела - задача, которую биологическое колено выполняет через эксцентрическое сокращение квадрицепса, но что протез колена должен достичь с помощью механических или электронных средств.

Основные механические компоненты и их биомеханические функции

Протез коленей включает в себя различные механические компоненты, каждый из которых предназначен для удовлетворения конкретных биомеханических требований. Понимание того, как эти компоненты работают вместе, дает представление о сложной инженерии современных протезных систем коленного сустава.

Конфигурация Joint Axis

Конфигурация оси коленного сустава принципиально определяет, как движется протез колена и обеспечивает устойчивость. Одноосные колени имеют простой шарнирный механизм с одним центром вращения, похожий на дверной шарнир. Такая конструкция предлагает простоту и долговечность, но может не полностью воспроизводить сложное движение биологического колена, которое фактически предполагает сочетание подвижных и раздвижных движений.

Полицентрические колени, напротив, включают в себя несколько осей вращения, чтобы более близко приблизиться к естественной кинематике колена. Эти конструкции обычно имеют механизм четырехбарной связи, который создает мгновенный центр вращения, который изменяется во всем диапазоне движения. Эта конфигурация предлагает несколько биомеханических преимуществ, включая улучшенную стабильность во время ранней позиции, лучший дорожный просвет во время фазы качения и более естественный рисунок походки.

Системы сопротивления и демпфирования

Устойчивость и демпфирующие системы контролируют скорость сгибания и удлинения колена, играя решающую роль как в стабильности положения, так и в управлении фазой качения.Эти системы можно широко классифицировать на фрикционные, пневматические, гидравлические и магнитореологические конструкции, каждая из которых предлагает различные биомеханические характеристики.

Системы на основе трения используют регулируемые механизмы трения для обеспечения постоянного сопротивления движению колена. Хотя они просты и надежны, эти системы не могут адаптироваться к изменениям скорости ходьбы или местности, что потенциально ограничивает их биомеханическую эффективность в различных видах деятельности.

Пневматические системы используют сжатый воздух для обеспечения переменного сопротивления движению колена. Эти системы могут быть спроектированы для обеспечения различных уровней сопротивления при сгибании и расширении, что позволяет более сложно контролировать движение колена. Однако пневматические системы могут быть чувствительны к изменениям температуры и могут проявлять некоторое отставание во времени отклика.

Гидравлические системы используют поток жидкости через клапаны и камеры для управления движением колена. Эти системы обеспечивают отличные характеристики управления и могут быть разработаны для обеспечения скорости, зависящей от демпфирования, что означает, что сопротивление увеличивается по мере того, как колено движется быстрее. Это биомеханическое свойство помогает предотвратить слишком быстрое движение колена во время фазы качения, при этом обеспечивая плавное, контролируемое движение с соответствующими скоростями.

Механизмы оказания помощи в расширении

Механизмы помощи при растяжении помогают протезу колена расширяться во время поздней фазы качения, готовясь к следующему удару пятки. Эти механизмы обычно используют пружины или эластичные полосы для хранения энергии во время сгибания колена и высвобождения ее во время удлинения. Биомеханическое преимущество помощи при разгибании заключается в том, что она уменьшает мышечное усилие, необходимое пользователю для правильного позиционирования протезной конечности для удара пятки, потенциально снижая расход энергии и улучшая симметрию походки.

Конструкция механизмов помощи при удлинении должна уравновешивать несколько конкурирующих факторов.Достаточная сила помощи необходима для обеспечения надежного удлинения колена, но чрезмерная сила может привести к тому, что колено расширится слишком быстро или сильно, создавая неестественный рисунок походки или даже заставляя колено гиперрасширяться.

Структуры переноса веса и нагрузки

Передача нагрузки предполагает понимание того, как сила распределяется через протез для предотвращения чрезмерного давления на остаточные конечности.Конструкционные компоненты протезного колена должны быть спроектированы так, чтобы безопасно передавать силы от гнезда через механизм колена к протезной стопе и в конечном итоге к земле.

Эти несущие конструкции должны быть достаточно прочными, чтобы поддерживать многократную массу тела во время таких действий, как бег или спуск по лестнице, но достаточно легкими, чтобы минимизировать метаболические затраты на раскачивание протезной конечности. Такие материалы, как титан и углеродное волокно, используются для их соотношения прочности к весу, повышения долговечности и удобства использования. Геометрия этих структур также влияет на биомеханическое выравнивание протеза, влияя на такие факторы, как характеристики устойчивости колена и рисунок походки пользователя.

Виды протезных коленей и их биомеханические характеристики

Протез коленных суставов можно разделить на несколько категорий, основываясь на их механизмах управления и технологической сложности. Каждый тип предлагает различные биомеханические характеристики, подходящие для различных потребностей пользователей и уровней активности.

Механические колени

Механические колени обычно управляются механическим замком, трением, пневматическими или гидравлическими жидкостями, которые представляют собой традиционный подход к протезированию коленного сустава и остаются широко используемыми из-за их надежности, долговечности и более низкой стоимости по сравнению с более передовыми технологиями.

Ручной блокировкой коленей обеспечивается максимальная стабильность, позволяя пользователю запирать колено в полном удлинении. Эта конструкция особенно подходит для пользователей с ограниченной силой или балансом, так как она устраняет риск загибания колена во время фазы стойки. Однако биомеханический компромисс заключается в том, что запертое колено создает неестественный рисунок походки и требует от пользователя вручную разблокировать колено перед сидением или подъемом по лестнице.

Усиленные по весу колени управления положением используют вес тела пользователя для автоматической блокировки или стабилизации колена во время фазы положения. Эти колени обычно имеют тормозной механизм, который включается, когда вес прикладывается к протезу и высвобождается, когда вес удаляется. Часто для активации механизма управления положением используется только масса тела, что приводит к менее естественному рисунку ходьбы. Хотя эта конструкция обеспечивает хорошую стабильность для ходьбы по ровной местности, она может плохо адаптироваться к таким действиям, как нисходящие пандусы или лестницы.

Пассивные колени легкие и энергоэффективные, поскольку механизмы и компоненты сильно соответствуют биомеханике ходьбы. Постоянные колени трения используют регулируемое трение для обеспечения сопротивления движению колена в течение цикла походки. Протезист может регулировать уровень трения, чтобы соответствовать скорости ходьбы пользователя и уровню активности. Однако, после установки, трение остается постоянным независимо от изменений скорости ходьбы или рельефа местности, что может ограничить биомеханическую эффективность колена в различных видах деятельности.

Гидравлические и пневматические колени

Гидравлические и пневматические колени представляют собой значительное продвижение в технологии протезирования колена, предлагая сопротивление, зависящее от скорости, которое адаптируется к скорости ходьбы пользователя. Эти колени используют поток жидкости или воздуха через клапаны для управления движением колена, причем сопротивление автоматически увеличивается по мере того, как колено движется быстрее.

Биомеханическое преимущество скоростно-зависимого сопротивления существенно. Во время медленной ходьбы колено предлагает меньшее сопротивление, что позволяет плавно, легко двигаться. По мере увеличения скорости ходьбы сопротивление автоматически увеличивается, не позволяя колену слишком быстро качаться и помогая поддерживать естественный рисунок походки. Эта адаптивная характеристика позволяет пользователям изменять скорость ходьбы более естественно, чем это возможно при постоянном трении коленей.

При правильном управлении гидравлические или пневматические контрольные фазы качения позволяют протезисту устанавливать темп, скорректированный на индивидуальную ампутацию, от очень медленного до бегового темпа.Некоторые продвинутые гидравлические колени также обеспечивают контроль фазы положения, используя гидравлическое сопротивление для обеспечения контролируемого сгибания во время ранней позиции для поглощения удара при сохранении стабильности на протяжении оставшейся фазы положения.

Микропроцессорные колени

Микропроцессорные колени, иногда называемые управляемыми компьютером коленями, используют технологию, которая обеспечивает более безопасную ходьбу с меньшими усилиями, облегчая навигацию по холмам, пандусам и неровной местности с большей стабильностью.Эти сложные устройства представляют современное состояние в технологии протезирования колена, включающее датчики, микропроцессоры и передовые алгоритмы управления, чтобы обеспечить адаптацию в реальном времени к походке пользователя и условиям окружающей среды.

Системы датчиков и приобретение данных

Датчики в микропроцессорных коленях постоянно собирают данные о движении и времени, которые затем интерпретируют колени, чтобы сделать любые необходимые корректировки. Эти датчики обычно включают датчики момента, которые измеряют силы и крутящие моменты, действующие на коленный сустав, датчики угла, которые отслеживают положение колена в течение цикла походки, и акселерометры, которые обнаруживают изменения скорости и ориентации.

Биомеханические данные, собранные этими датчиками, дают полную картину походки пользователя в режиме реального времени. Анализируя закономерности в этих данных, микропроцессор может определить, в какой фазе походки находится пользователь, предсказать, что будет дальше, и соответствующим образом настроить сопротивление колена. Этот непрерывный цикл мониторинга и настройки происходит много раз в секунду, позволяя колену почти мгновенно реагировать на изменения движения пользователя или окружающей среды.

Алгоритмы управления и адаптивный ответ

Микропроцессорные колени используют датчики, программное обеспечение и встроенный компьютер для настройки сопротивления жидкости к вашей уникальной походке. Алгоритмы управления в микропроцессорных коленях представляют собой сложные приложения биомеханических принципов и теории управления. Эти алгоритмы должны обрабатывать данные датчиков в режиме реального времени, определять текущую фазу походки, прогнозировать предстоящие события и соответствующим образом регулировать механические свойства колена.

Оттобокские МПК постоянно контролируют фазы вашей походки, настраиваясь в режиме реального времени, чтобы поддерживать вас по мере ускорения или замедления. Эта адаптивная способность представляет собой фундаментальное биомеханическое преимущество перед механическими коленями. Микропроцессор может регулировать сопротивление колена, чтобы соответствовать скорости ходьбы пользователя, обеспечивать повышенную стабильность при спуске по пандусам или лестницам, и даже обнаруживать спотыки и автоматически увеличивать сопротивление, чтобы помочь предотвратить падения.

Управление статической фазой в микропроцессорных коленях

Микропроцессорные колени адаптируют гидравлическое сопротивление в реальном времени, обеспечивая владельцу поддержку, независимо от того, стоят ли они неподвижно или двигаются. Во время фазы стойки микропроцессорные колени непрерывно контролируют силы, действующие на коленный сустав, и регулируют гидравлическое сопротивление, чтобы обеспечить оптимальную стабильность. Когда колено обнаруживает, что пользователь стоит неподвижно или ходит по ровной земле, оно обеспечивает высокое сопротивление для предотвращения нежелательного сгибания. При спуске по пандусу или лестнице колено может обеспечить контролируемое сгибание, позволяя пользователю ходить более естественно, сохраняя безопасность.

Они обнаруживают спотыкания в реальном времени, автоматически настраивая их жесткость и позволяя пользователю ловить себя, чтобы избежать падения. Эта функция восстановления спотыкания представляет собой значительное биомеханическое преимущество безопасности. Если датчики колена обнаруживают неожиданный рисунок нагрузки, который предполагает, что пользователь спотыкается, микропроцессор может мгновенно увеличить сопротивление колена, эффективно закалив сустав, чтобы обеспечить поддержку и помочь пользователю восстановить равновесие.

Управление фазой свинга в микропроцессорных коленях

Микропроцессорные протезы коленного сустава определяют время шага и изменяют уровни расширения коленного сустава в соответствии со скоростью ходьбы, используя компьютеризированный датчик для определения того, когда колено полностью расширено. Протезист устанавливает параметры походки, которые компьютер автоматически выбирает и применяет в соответствии с темпом амбуляции в реальном времени. Микропроцессор затем автоматически регулирует фазу качения походки в попытке создать более естественную походку в рамках моделей различных скоростей ходьбы.

Этот адаптивный контроль фазы качения позволяет пользователям ходить с переменной скоростью без сознательной корректировки их шаблона походки. Колено автоматически обеспечивает соответствующее количество сопротивления во время сгибания для управления скоростью изгиба колена, затем уменьшает сопротивление во время расширения, чтобы позволить нижней ноге плавно качаться вперед. Сроки и величина этих изменений сопротивления непрерывно корректируются на основе скорости ходьбы пользователя и каденции.

Полуактивные и мощные протезные колени

Помимо микропроцессорных коленей, модулирующих сопротивление, исследователи и производители разработали мощные протезные колени, которые могут активно генерировать силу и движение. Текущий гибридный протез коленного сустава объединил пружинную систему амбуляции, электродвигатель и систему передачи для эффективной амбуляции лестниц. Эти устройства представляют собой передний край технологии протезирования коленного сустава, пытаясь более полно воспроизвести активную выработку энергии биологическими мышцами.

В полуактивных коленях электродвигатели обычно работают с пружинами, системами гидравлического привода или магнитореологическими амортизаторами для адаптации к различным рельефам. Полуактивные колени занимают промежуточное положение между пассивными микропроцессорными коленями и полностью приводимыми в действие устройствами. Они используют небольшие двигатели или другие приводы для регулировки механических свойств колена или режима работы, но они не обеспечивают больших сил, необходимых для таких действий, как подъем по лестнице или стояние с сидячего положения.

Полностью приводимые в действие протезы коленей включают в себя двигатели, способные генерировать значительный крутящий момент для активного расширения или сгибания коленного сустава. Эти устройства могут обеспечить чистую положительную механическую работу в течение цикла походки, потенциально снижая метаболические затраты на ходьбу и позволяя выполнять действия, которые являются трудными или невозможными с пассивными протезными коленями. Например, колени с питанием могут позволить пользователям подниматься по лестнице шаг за шагом с помощью протеза конечности, легче подниматься по пандусам и подниматься из сидячего положения, не используя свои руки для помощи.

Однако перед мощными протезами коленей стоят значительные задачи. Они требуют существенной мощности аккумулятора, что делает их тяжелее пассивных устройств. Одной из проблем в будущем является то, как легкие и эффективные функциональные механизмы могут быть интегрированы в исполнительные механизмы для минимизации метаболических затрат пользователя. Системы управления для коленных суставов также более сложны, поскольку они должны не только определять, когда оказывать помощь, но и сколько силы генерировать и в каком направлении.

Цикл походки и протезная функция коленного сустава

Понимание цикла походки имеет важное значение для оценки того, как функционируют протезы коленей и как их конструкция учитывает конкретные биомеханические требования в разных точках цикла ходьбы. Цикл походки обычно делится на фазу положения и фазу качения, причем каждая фаза далее подразделяется на различные события и периоды.

Первоначальный контакт и реакция на загрузку

Цикл походки начинается с начального контакта, когда пятка ударяется о землю. При нормальной походке колено почти полностью вытягивается при ударе пяткой, затем слегка сгибается (примерно на 15 градусов) во время реакции нагрузки при переносе массы тела на конечность. Это раннее сгибание стойки служит нескольким биомеханическим целям: оно поглощает удар, плавно опускает центр массы тела и помогает поддерживать импульс вперед.

Протез коленного сустава должен воспроизводить это раннее сгибание стойки, сохраняя стабильность и предотвращая пристегивание колена. Стабильность этой новой конструкции биомеханически увеличивается за счет сгибания стойки, что делает функцию блокировки ненужной. Передовые протезы коленного сустава включают механизмы, которые позволяют контролировать сгибание во время реакции нагрузки, гарантируя, что колено остается стабильным и поддерживающим.

Средняя и терминальная станции

В середине стороны центр массы тела проходит над опорной конечностью, и колено обычно распространяется назад к полному расширению. В терминальной позиции, когда пятка начинает подниматься и масса тела сдвигается вперед на переднюю часть стопы, колено остается расширенным, чтобы обеспечить стабильную платформу для отталкивания. Протезные колени должны поддерживать стабильность на протяжении этих фаз, позволяя естественное продвижение центра массы тела над протезной ногой.

Биомеханическая задача на этих этапах заключается в поддержании стабильности без создания чрезмерного сопротивления, которое будет препятствовать прогрессированию вперед. Колено должно быть достаточно стабильным, чтобы поддерживать массу тела, но не настолько жестким, чтобы оно мешало естественному движению ноги или требовало чрезмерной энергии от пользователя для продвижения тела вперед.

Предварительный и первоначальный взмах

Предварительное смещение, также называемое отсевом пальца, знаменует переход от положения к фазе качения. По мере того, как масса тела переносится на противоположную конечность, колено начинает быстро сгибаться, достигая примерно 60 градусов сгибания во время начального качения. Это сгибание необходимо для заземления, позволяя стопе очищать землю при качании конечности вперед.

Протез коленей должен обеспечивать свободное сгибание в течение этой фазы при контроле скорости сгибания, чтобы нижняя часть ноги не качалась слишком быстро. Переход от положения к фазе качения особенно критичен, так как колено должно быстро переходить от обеспечения стабильности и поддержки к разрешению свободного движения. Микропроцессорные колени преуспевают в управлении этим переходом, используя данные датчиков для обнаружения начала фазы качения и немедленной корректировки характеристик сопротивления колена.

Среднее и терминальное свинг

Во время среднего качения колено достигает максимального сгибания, затем начинает расширяться по мере того, как нижняя нога качается вперед. В концевом качении колено продолжает расширяться, приближаясь к полному расширению при подготовке к следующему удару пяткой. Скорость и сроки наращивания колена в эти фазы имеют решающее значение для достижения естественного рисунка походки и правильного позиционирования стопы для первоначального контакта.

Протез коленных суставов использует различные механизмы для управления движением фазы качения. Механизмы помощи при растяжении помогают обеспечить, чтобы колено достигло соответствующего расширения ударом пятки. Системы демпфирования контролируют скорость расширения, чтобы предотвратить слишком быстрое расширение колена, что может привести к резкому или даже гиперрасширению нижней ноги. Цель состоит в том, чтобы достичь плавного, контролируемого расширения, которое соответствует скорости ходьбы пользователя и каденции.

Биомеханические соображения для различных видов деятельности

В то время как ходьба по ровной местности представляет собой наиболее распространенную деятельность для пользователей протезирования коленного сустава, многие ежедневные действия требуют различных биомеханических возможностей. Передовые протезы коленного сустава должны соответствовать этим различным требованиям, чтобы обеспечить пользователям максимальную функциональную независимость.

Лестница Восхождение

Подъем по лестнице может представлять серьезную проблему для ампутантов с коленями выше колена в результате скомпрометированной двигательной производительности и ограничений протезного дизайна. Восхождение по лестнице требует протезного колена для поддержки массы тела при сгибании, задача, которая является биомеханической проблемой для пассивных протезных колен. Большинство пользователей с пассивными протезными коленями поднимаются по лестнице, ведя с их неповрежденной конечностью, доведя протезную конечность до той же самой стадии, а затем повторяя процесс - шаг к шаблону, а не шаг за шагом шаблон, используемый людьми без ампутации.

Новый, инновационный микропроцессор-управляемый протез коленного сустава, Genium, включает в себя функцию, которая позволяет ампутированной выше колена, чтобы подняться по лестнице шаг за шагом. Для выполнения этой функции, ряд различных датчиков и сложные алгоритмы переключения были интегрированы в протез коленного сустава. Эта способность представляет собой значительное биомеханическое продвижение, поскольку она требует колена, чтобы обеспечить контролируемое сгибание при поддержке массы тела - функция, которая обычно требует активного мышечного контроля в биологическом колене.

Лестница спускается

Спускающиеся лестницы часто считаются даже более сложными, чем подъем по ним, поскольку для этого требуется протез колена, чтобы обеспечить контролируемое сгибание при поддержке массы тела против гравитации. В биологической походке спуск по лестнице осуществляется посредством эксцентрического сокращения мышцы квадрицепса, которая контролирует скорость сгибания колена, в то время как мышцы удлиняются. Протезные колени должны воспроизводить эту функцию с помощью механических или электронных систем управления.

Микропроцессорные колени могут обнаруживать, когда пользователь спускается по лестнице, и соответствующим образом регулировать свои характеристики сопротивления. Они обеспечивают высокое сопротивление сгибанию колена, позволяя пользователю опускать себя контролируемым образом с одного шага на следующий. Колено должно обеспечивать достаточное сопротивление, чтобы предотвратить неконтролируемое сгибание, но не настолько, чтобы пользователь вообще не мог сгибать колено. Этот тонкий баланс постоянно регулируется на основе обратной связи датчика, что позволяет плавно, контролируемый спуск по лестнице.

Бегство пешком

Ходьба по пандусам, восходящая или нисходящая, предъявляет уникальные биомеханические требования к протезным коленям. При подъеме на пандус колено должно обеспечивать устойчивость, в то время как центр массы тела расположен за основанием опоры, создавая момент сгибания у колена. При снижении пандуса гравитационные силы создают еще больший момент сгибания, требуя, чтобы колено обеспечивало существенное сопротивление, чтобы предотвратить пряжку.

Это облегчает ходьбу на разных скоростях и безопасное спуск по пандусам и лестницам. Микропроцессорные колени могут обнаруживать рампу, идущую через изменения в моделях нагрузки и времени хода событий, а затем соответствующим образом корректировать свои стратегии управления. Во время спуска по рампе колено обеспечивает повышенное сопротивление сгибанию на протяжении фазы стойки, придавая пользователю уверенность и стабильность. Во время подъема по рампе колено сохраняет стабильность, позволяя естественное развитие цикла походки.

Неровный край

Прогулка по неровной местности требует постоянных корректировок для поддержания баланса и стабильности. Биологическое колено достигает этого посредством непрерывных мышечных корректировок, руководствуясь проприоцептивной обратной связью. Протезные колени должны обеспечивать стабильность в ряде неожиданных условий нагрузки без выгоды сенсорной обратной связи или активного мышечного контроля.

Микропроцессорные колени, как правило, лучше всего подходят для людей с умеренным и активным образом жизни, которые перемещаются по неровной местности или более основным экологическим препятствиям, таким как бордюры и наклонные поверхности. Адаптивные возможности микропроцессорных коленей делают их особенно хорошо подходящими для неровной местности. Благодаря постоянному мониторингу моделей нагрузки и регулировке сопротивления в режиме реального времени эти колени могут обеспечить надлежащую стабильность, даже когда поверхность земли нерегулярна или непредсказуема.

Выравнивание и его биомеханическое воздействие

Согласно классической протезной биомеханике, выравнивание так же важно, как и выбор компонентов. Выравнивание протезного колена относится к его пространственному отношению к гнезду выше и протезной стопе ниже. Правильное выравнивание необходимо для достижения оптимальной биомеханической функции, поскольку даже небольшие выравнивания могут значительно повлиять на стабильность, энергоэффективность и качество походки.

Выравнивание самолёта Стрельца

В сагиттальной плоскости (боковой вид) выравнивание протеза колена относительно розетки и стопы определяет характеристики устойчивости колена. Ключевое понятие — это взаимосвязь между вектором силы реакции земли и центром коленного сустава. Когда вектор силы реакции земли проходит перед центром колена, он создает момент удлинения, который имеет тенденцию держать колено расширенным. Когда он проходит за центром колена, он создает момент сгибания, который имеет тенденцию вызывать пристегнутость колена.

Протезисты тщательно корректируют выравнивание сагиттальной плоскости, чтобы обеспечить соответствующую стабильность для каждого пользователя. Более стабильное выравнивание, при котором вектор силы реакции земли проходит хорошо перед центром колена, обеспечивает большую безопасность, но может затруднить начало фазы качения. Менее стабильное выравнивание требует более активного контроля со стороны пользователя, но позволяет облегчить сгибание колена и более естественный рисунок походки. Оптимальное выравнивание зависит от силы пользователя, баланса, уровня активности и типа используемого протеза колена.

Корональная планировка самолета

В корональной плоскости (передний вид) выравнивание влияет на распределение сил по протезу колена и нагрузку остаточной конечности внутри гнезда. Правильное выравнивание корональной плоскости гарантирует, что силы эффективно передаются через протез и что гнездо удобно подходит без создания чрезмерного давления на любую конкретную область остаточной конечности.

Несоответствие в корональной плоскости может привести к асимметричным рисункам походки, при этом пользователь смещает свой вес боком, чтобы компенсировать несоответствие. Эта компенсация может увеличить расход энергии, создать аномальные модели нагрузки, которые могут привести к боли в суставах или другим проблемам опорно-двигательного аппарата, и снизить уверенность пользователя в протезе.

Ротационное выравнивание

Ротационное выравнивание относится к ориентации протезной стопы относительно розетки и колена. Правильное выравнивание вращения гарантирует, что стопа указывает в соответствующем направлении во время ходьбы, как правило, с небольшим внешним вращением (внешним вращением) примерно на 5-7 градусов, чтобы соответствовать нормальным рисункам походки.

Неправильное выравнивание вращения может привести к тому, что стопа будет слишком далеко направлена внутрь или наружу, создавая ненормальные крутящие моменты на интерфейсе колена и гнезда, что может привести к дискомфорту, разрушению кожи и компенсаторным рисункам походки, которые увеличивают расход энергии и могут вызвать боль в других суставах.

Выбор материала и биомеханические характеристики

Материалы, используемые в протезной конструкции колена, значительно влияют на биомеханическую производительность устройства, долговечность и принятие пользователем.Современные протезные колени включают в себя множество передовых материалов, каждый из которых выбран для конкретных свойств, которые способствуют общей функции.

Структурные материалы

Структурные компоненты протезных коленей должны быть достаточно прочными, чтобы выдерживать значительные силы, генерируемые во время ходьбы и других видов деятельности, но достаточно легкими, чтобы минимизировать энергию, необходимую для раскачивания протезной конечности. Титановые сплавы обычно используются для структурных компонентов из-за их превосходного соотношения прочности к весу, коррозионной стойкости и биосовместимости. Алюминиевые сплавы предлагают аналогичные преимущества с еще меньшим весом, хотя они могут быть менее подходящими для очень напряженных применений.

Композиты из углеродного волокна все чаще используются в протезной конструкции колена, особенно для компонентов, которые получают выгоду от высокой жесткости и низкого веса. Эти материалы могут быть спроектированы для обеспечения конкретных механических свойств в разных направлениях, что позволяет дизайнерам оптимизировать производительность при минимизации веса.

Носить и носить поверхности

Компоненты, которые движутся относительно друг друга, такие как совместные подшипники и раздвижные поверхности, должны быть спроектированы таким образом, чтобы минимизировать трение и износ при сохранении плавной работы в течение миллионов циклов. Высокопроизводительные полимеры, такие как ультравысокомолекулярный полиэтилен (UHMWPE), обычно используются для несущих поверхностей из-за их низкого коэффициента трения и отличной износостойкости.

Некоторые протезы коленей включают в себя герметичные подшипники, аналогичные тем, которые используются в промышленных применениях, с использованием точных шариковых или роликовых подшипников для обеспечения плавного движения с низким трением. Эти системы должны быть тщательно герметизированы, чтобы предотвратить загрязнение от грязи, воды или других факторов окружающей среды, которые могут поставить под угрозу их производительность.

Гидравлические жидкости и уплотнения

Для гидравлических протезов коленей выбор гидравлической жидкости и уплотнительных материалов имеет решающее значение для надежной долгосрочной работы. Гидравлическая жидкость должна поддерживать постоянную вязкость в диапазоне температур, обеспечивать адекватную смазку для движущихся частей и противостоять деградации с течением времени. Синтетические гидравлические жидкости обычно используются из-за их стабильных свойств и длительного срока службы.

Уплотнительные системы должны предотвращать утечку гидравлической жидкости, обеспечивая плавное движение движущихся компонентов. Современные протезы коленей используют передовые конструкции уплотнения и материалы, которые обеспечивают надежное уплотнение в течение миллионов циклов, минимизируя трение и износ.

Клинические результаты и биомеханические преимущества

Исследования показали, что передовые протезы коленных суставов, особенно микропроцессорные колени, могут обеспечить значительные биомеханические и функциональные преимущества по сравнению с обычными механическими коленями.

Качество походки и симметрия

Использование гениума облегчало более естественную биомеханику походки и распределение нагрузки по всей пораженной и звуковой опорно-двигательной структуре. Это наблюдалось при спокойной позе на спаде, ходьбе по ровной земле, а также ходьбе вверх и вниз по пандусам и лестницам. Улучшенная симметрия походки важна не только по косметическим причинам, но и для долгосрочного опорно-двигательного аппарата. Асимметричные модели походки могут приводить к чрезмерным травмам, боли в суставах и дегенеративным изменениям в неповрежденной конечности и других суставах.

Исследования показали, что микропроцессорные колени могут уменьшить асимметрию походки по сравнению с механическими коленями, приближая рисунок походки пользователя к нормальному.Это улучшение обусловлено способностью колена адаптировать свои характеристики сопротивления к скорости ходьбы пользователя и требованиям различных видов деятельности, что позволяет более естественное движение колена в течение всего цикла походки.

Расходы на энергию и метаболические затраты

Ходьба с протезом конечности обычно требует больше энергии, чем обычная ходьба, из-за отсутствия активной выработки энергии мышцами и необходимости компенсировать ограничения протеза.Усовершенствованные протезы коленного сустава направлены на минимизацию этой дополнительной стоимости энергии за счет обеспечения более эффективного и естественного движения.

Исследования показали, что микропроцессорные колени могут снизить метаболическую стоимость ходьбы по сравнению с механическими коленями, особенно во время таких занятий, как ходьба с переменной скоростью или на неровной местности.Это сокращение расходов энергии может привести к снижению усталости, повышению выносливости при ходьбе и большей готовности заниматься физической деятельностью.

Предотвращение падения и безопасность

Профилактика падений является лишь одним из аспектов - снижение шансов на острые травмы - но эффективная стабилизация также может сократить медицинские проблемы, часто испытываемые ампутированными с обычным протезом и суставами, такие как боль в пояснице, артрит и замены тазобедренного сустава. Падения представляют значительный риск для людей с ампутацией нижних конечностей, что потенциально приводит к серьезным травмам и снижению уверенности в использовании протеза.

Было показано, что микропроцессорные колени снижают скорость падения по сравнению с механическими коленями. Функции восстановления спотыкающихся устройств, которые обнаруживают неожиданные модели нагрузки и автоматически увеличивают сопротивление колену, обеспечивают важное преимущество в плане безопасности. Кроме того, повышенная стабильность, обеспечиваемая микропроцессорными коленями во время сложных действий, таких как опускающиеся пандусы или ходьба по неровной местности, может помочь предотвратить ситуации, которые могут привести к падениям.

Качество жизни и психологические преимущества

МПК улучшили способность пациентов выполнять опорно-двигательные способности и деятельность повседневной жизни, и они показали положительное влияние на восприятие тела, жизнеспособность и депрессивные симптомы участников.Биомеханические преимущества продвинутых протезов коленей приводят к ощутимым улучшениям в повседневной жизни пользователей и психологическом благополучии.

Повышенная уверенность, которая возникает из-за более стабильного и отзывчивого протеза коленного сустава, может побудить пользователей заниматься более широким спектром деятельности и социальных ситуаций.Способность ходить более естественно и с меньшими сознательными усилиями может снизить когнитивную нагрузку при использовании протеза, позволяя пользователям сосредоточиться на своей деятельности и взаимодействиях, а не на контроле своей протезной конечности.

Будущие направления в протезном дизайне колена

Область протезирования коленного сустава продолжает быстро развиваться, и исследователи и инженеры работают над устранением оставшихся ограничений и развитием новых возможностей. Появляется несколько перспективных направлений, которые могут сформировать будущее технологии протезирования коленного сустава.

Предсказательный контроль и распознавание намерений

Будущие исследования должны рассмотреть возможность разработки трансфеморального электромеханического протеза на основе электромиографических сигналов (ЭМГ), чтобы лучше предсказать намерение и контроль ампутированного в соответствии с этим намерением. Текущие микропроцессорные колени в основном используют реактивные стратегии управления, корректируя свое поведение на основе данных датчиков, которые отражают то, что происходит в настоящее время. Будущие системы могут включать стратегии прогностического управления, которые предвосхищают намерения пользователя и активно корректируют поведение колена.

Один из подходов к распознаванию намерений включает использование электромиографических (ЭМГ) датчиков для обнаружения электрических сигналов от мышц в остаточной конечности. Анализируя закономерности в этих сигналах, системы управления потенциально могут предсказать, какое движение пользователь намерен выполнить до того, как оно действительно начнется, что позволяет протезному колену подготовиться соответствующим образом. Это может обеспечить более естественный и отзывчивый контроль, особенно во время переходов между различными видами деятельности, такими как переход от ходьбы по уровню к подъему по лестнице.

Повышение энергоэффективности и энергоэффективности

В то время как мощные протезы коленей предлагают значительные функциональные преимущества, их высокое энергопотребление и вес остаются значительными ограничениями. Будущие разработки могут быть сосредоточены на повышении эффективности приводов с питанием, разработке более совершенных систем хранения энергии и внедрении технологий сбора энергии, которые могут захватывать и повторно использовать энергию из цикла походки.

Некоторые исследовательские усилия изучают использование приводов с переменной жесткостью и упругих приводов серии, которые могут хранить и высвобождать энергию более эффективно, чем обычные системы с механическим приводом. Эти подходы могут обеспечить мощные протезы коленей, которые обеспечивают активную помощь, потребляя меньше энергии и добавляя меньше веса, чем текущие конструкции.

Интеграция с другими протезными компонентами

Большинство современных протезных систем рассматривают колено, стопу и розетку как отдельные компоненты, которые собираются для создания полного протеза. Будущие системы могут иметь большую интеграцию между компонентами, с скоординированными стратегиями управления, которые оптимизируют производительность всей протезной конечности, а не отдельных компонентов.

Например, интегрированная протезная система может координировать поведение микропроцессорного колена и мощного протеза голеностопного сустава, чтобы обеспечить более естественные модели походки и улучшенную производительность во время сложных действий. Колено и лодыжка могут обмениваться данными датчиков и координировать свои стратегии управления для обеспечения оптимальной поддержки и движения в течение цикла походки.

Персонализация и адаптация

Современные протезные колени обычно настраиваются протезистом на основе характеристик и потребностей пользователя, с ограниченной способностью адаптироваться к изменениям с течением времени.Будущие системы могут включать алгоритмы машинного обучения, которые позволяют протезному колену непрерывно адаптироваться к меняющимся потребностям, предпочтениям и возможностям пользователя.

Эти адаптивные системы могут изучать типичные модели движения и предпочтения пользователя, автоматически регулируя их поведение, чтобы обеспечить оптимальную производительность для каждого человека. Они также могут обнаруживать изменения походки пользователя, которые могут указывать на усталость, боль или изменения остаточной конечности, предупреждая пользователя или протезиста о потенциальных проблемах, прежде чем они станут серьезными проблемами.

Сенсорная обратная связь и проприоцепция

Одним из фундаментальных ограничений нынешних протезных коленей является отсутствие сенсорной обратной связи с пользователем. В то время как протез может иметь сложные датчики, которые предоставляют данные его системе управления, пользователь обычно не получает прямой сенсорной информации о положении или загрузке их протезной конечности. Это отсутствие проприоцептивной обратной связи требует от пользователей полагаться на визуальные сигналы и косвенные ощущения, передаваемые через гнездо для мониторинга их протеза.

Исследователи изучают различные подходы к обеспечению сенсорной обратной связи для пользователей протеза, включая вибротактильную стимуляцию, электрическую стимуляцию нервов и целевые методы мышечной реиннервации. Эти технологии потенциально могут восстановить некоторую степень проприоцептивной осведомленности, позволяя пользователям ощущать положение и нагрузку на их протезное колено, не глядя на него. Эта улучшенная сенсорная обратная связь может улучшить баланс, уменьшить когнитивную нагрузку и обеспечить более естественное и уверенное движение.

Рецепты и рекомендации по выбору пользователей

Критерии назначения и выбор протезных коленей зависят от взаимодействия между пользователем и протезом, который включает в себя пять функциональных уровней от K0 до K4. Система функционального класса медицинского страхования (K-level) обеспечивает основу для соответствия технологии протезирования коленного сустава возможностям и потребностям пользователя.

Пользователи уровня K0 не имеют возможности или потенциала безопасно амбулироваться или перемещаться с помощью или без помощи, а протез не повышает качество их жизни или мобильности. Пользователи уровня K1 имеют возможность или потенциал использовать протез для переноса или амбулирования на поверхности уровня при фиксированной каденции. Пользователи уровня K2 имеют способность или потенциал для амбулирования с возможностью преодолевать низкоуровневые экологические барьеры, такие как бордюры, лестницы или неровные поверхности.

Пользователи уровня K3 обладают способностью или потенциалом для амбуляции с переменной каденцией и способностью преодолевать большинство экологических барьеров. Они могут иметь профессиональную, терапевтическую или физическую активность, которая требует использования протезов за пределами простой локомоции. Пользователи уровня K4 имеют способность или потенциал для протезной амбуляции, которая превышает базовые навыки амбуляции, проявляя высокий уровень воздействия, стресса или энергии.

Выбор подходящего протеза коленного сустава включает в себя соответствие возможностей коленного сустава функциональному уровню пользователя, образу жизни и целям. Более продвинутые протезы коленного сустава, особенно устройства с микропроцессорным управлением, обычно назначаются пользователям уровня K3 и K4, которые могут извлечь выгоду из своих расширенных возможностей. Однако исследования показали, что даже пользователи с более низкой активностью могут извлечь выгоду из микропроцессорных коленей с точки зрения безопасности и уверенности.

Техническое обслуживание и долгосрочная производительность

Биомеханические характеристики протезного колена зависят не только от его первоначальной конструкции и фитинга, но и от надлежащего обслуживания на протяжении всего срока службы.Протезные колени подвергаются миллионам циклов загрузки и должны надежно работать в различных условиях окружающей среды, от горячих и влажных до холодных и влажных.

Регулярное техническое обслуживание имеет важное значение для обеспечения постоянной оптимальной производительности. Это включает в себя периодический осмотр механических компонентов для износа, проверку и корректировку выравнивания по мере необходимости и обслуживание гидравлических или пневматических систем. Для микропроцессорных коленей могут быть доступны обновления программного обеспечения, которые улучшают производительность или добавляют новые функции, а системы батарей требуют регулярной зарядки и возможной замены.

Пользователи должны быть осведомлены о надлежащем уходе за их протезом колена, включая процедуры очистки, признаки потенциальных проблем и когда обращаться за профессиональным обслуживанием. Многие современные протезы коленного сустава включают диагностические возможности, которые могут предупредить пользователя или протезиста о потенциальных проблемах, прежде чем они приведут к сбою или нарушенной производительности.

Роль реабилитации и обучения

Даже самый продвинутый протез коленного сустава не может обеспечить оптимальную функцию без надлежащей реабилитации и обучения.Пользователи должны научиться работать со своим протезным коленом, понимая его возможности и ограничения и развивая навыки, необходимые для эффективного использования его в различных видах деятельности.

Программы реабилитации для пользователей протезирования коленного сустава обычно проходят через несколько этапов, начиная с базовых навыков, таких как баланс в положении стоя и смещение веса, затем переходя к ходьбе по ровной местности и, в конечном итоге, к более сложным действиям, таким как лестницы, пандусы и неровная местность.На протяжении всего этого процесса физиотерапевты работают с пользователями, чтобы разработать соответствующие шаблоны походки, нарастить силу и выносливость и обрести уверенность в использовании протеза.

Для пользователей, переходящих на продвинутые протезы коленей, особенно на устройства с микропроцессорным управлением, может потребоваться дополнительная подготовка, чтобы научиться использовать преимущества расширенных возможностей колена. Это может включать в себя обучение более естественному спуску по пандусам или лестнице, адаптацию к функциям восстановления спотыкания колена или использование приложений для смартфонов для настройки настроек колена для различных видов деятельности.

Заключение

Понимание биомеханических принципов, лежащих в основе протезирования коленного сустава, раскрывает замечательную сложность и изощренность этих устройств.От фундаментальной задачи репликации двойной роли естественного колена в обеспечении стабильности и мобильности до сложных систем управления современными микропроцессорными коленями протезирование коленного сустава представляет собой синтез биомеханики, материаловедения, техники управления и клинической экспертизы.

Эволюция технологии протезирования коленного сустава от простых механических шарниров до сложных микропроцессорных устройств значительно улучшила функциональные возможности и качество жизни людей с трансфеморальной ампутацией.Современные протезы коленного сустава могут адаптироваться к переменным скоростям ходьбы, обеспечивать повышенную стабильность на сложной местности, обнаруживать и восстанавливаться после спотыканий и обеспечивать деятельность, которая ранее была трудной или невозможной.

Однако остаются значительные проблемы. Современные протезные колени, даже самые продвинутые, не могут полностью воспроизвести возможности биологического колена. Отсутствие активной генерации энергии, сенсорной обратной связи и сложного нервно-мышечного контроля естественной конечности продолжает ограничивать протезную функцию. Текущие исследования и разработки направлены на устранение этих ограничений с помощью приводов питания, систем сенсорной обратной связи и продвинутых алгоритмов управления, основанных на распознавании намерений и машинном обучении.

Будущее протезирования коленного сустава обещает дальнейшее развитие, с технологиями, которые обеспечивают все более естественную и легкую функцию. По мере углубления нашего понимания биомеханики и появления новых технологий, протезные колени будут продолжать развиваться, предлагая пользователям большую мобильность, независимость и качество жизни. Конечная цель остается ясной: разработать протезные колени, которые настолько точно повторяют естественную функцию, что пользователи могут двигаться по своей повседневной жизни, не задумываясь о своем протезе, вместо этого сосредотачиваясь на своей деятельности, целях и отношениях.

Для тех, кто заинтересован в получении дополнительной информации о протезных технологиях и реабилитации, ресурсы доступны через такие организации, как Коалиция ампутантов и профессиональные общества, такие как Американская ортопедическая и протезная ассоциация . Эти организации предоставляют ценную информацию для пользователей протезов, медицинских работников и исследователей, работающих над продвижением области протезирования и улучшением результатов для людей с потерей конечностей.