IEEE trans:儿童截肢自动站姿的膝关节控制假肢的建模与设计

人工膝关节必须为使用者提供稳定性，同时促进自然运动。稳定性可以通过膝关节机构的几何结构来实现，也可以通过结合站姿控制单元来实现。 近年来，人工膝关节设计的研究重点已经转移到微处理器控制的人工膝关节（MPKs）的开发上。尽管研究表明，MPK比传统的机械膝关节设计具有功能优势，但MPK由于其典型的较大和较重的外形，仅限于成人人群。与通常使用微处理器或机械姿态控制机制的成人膝关节不同，市场上的儿童人工膝关节通常依靠更简单、更轻和更紧凑的单轴或多中心机制来提供几何稳定性。然而，几何稳定的儿童膝关节与经股截肢的高度活跃儿童的频繁跌倒有关。这表明需要改善儿童的膝关节稳定性。两轴（Automatic Stance Phase Lock ）ASPL装置是为成人开发的，目前可用于成人假肢（全地形膝关节，美国LegWorks公司）。已经证明它可以提高稳定性，提高步行速度，减少能量消耗。然而，尚未有为儿童截肢者开发的两轴ASPL。

两轴ASPL装置的膝部稳定性由两轴（膝部轴和控制轴）的配置决定。然而，由于成人和儿童在身高和体段长度上的巨大差异 ，目前尚不清楚是否可以采用基于成人的ASPL轴配置，以在儿科人群中与不同年龄相关的广泛身高范围内提供适当的生物力学功能。此外，轴配置必须有助于设计适合儿童的紧凑轻便膝关节。本项工作的总体目标是设计一个两轴ASPL膝关节的儿童版本。主要重点是利用生物力学模型来开发适合儿科的ASPL姿态控制装置。生物力学模型已成功用于优化人工膝关节组件的设计，并研究了人工膝关节质量对步态和步态能量学的影响，以及姿态控制功能。膝关节功能的验证是在一个单受试者交叉试验中进行的，涉及使用ASPL膝关节的构建原型对行走过程中的时空、运动学和动力学步态参数进行生物力学分析。

儿童假肢原型

为了提供适当的生物力学功能（即站姿阶段的膝盖稳定性和平稳过渡到摆动阶段），需要建立两轴ASPL站姿控制机制的适当轴配置，以确保成功适应儿童人群。本设计的目的是直接结合一种新型的摆动相位控制装置-可变步频控制器，由不同的摩擦水平和一个伸展辅助弹簧组成。设计的目标群体是12岁及以下的儿童。被动假肢膝关节姿态控制机制通常具有两种状态：1）稳定，提供支撑（即，防止负重时不必要的膝关节屈曲）；2）不稳定，允许肢体弯曲并过渡到摆动阶段。膝关节稳定性通常由地面反作用力（GRF）作用线相对于主膝关节轴线的位置和方向来定义。膝关节不稳图可用于可视化和评估ASPL控制机制的稳定性特征。将ASPL控制机制纳入儿童膝关节（CASPL），轴配置必须适应与不同年龄组相关的一系列身高。典型的儿科人工膝关节组件适用于6-12岁的年龄段。由于ASPL技术的新颖性，没有文献或建模技术概述设计参数或最佳轴配置，更不用说它对儿科人群的适应性。

制作了两个膝关节原型。设计分为四个主要开发阶段：1）配置姿态控制机构；2）使用CAD软件对设计进行建模；3）应用有限元法对部件进行结构优化；4）使用结构试验装置对原型进行试验。这项研究进行了一次临床试验。包括CASPL膝关节模型的拟合和数据采集。参与者是一名10岁女性，单侧经股截肢，体重27.5公斤。她有四年使用假肢的经验，步态分析使用摄像机运动捕捉系统（英国维康匹克维康370）和位于10米人行道中间的两个偏置力平台（Bertec 4060，Bertec Corp，US）进行。参与者被要求以自己选择的舒适速度行走。每个膝关节至少进行了三次试验，从而实现了干净的力板接触。每一次都是在10米长的人行道上散步。参与者在每个膝盖的一组试验之间休息，以尽量减少疲劳的影响

该模型基于控制ASPL机构轴配置的关键参数，并使用该模型确定适合不同年龄和身高用户的儿科ASPL配置。该模型建立了一系列的轴配置，为ASPL机构的设计提供信息，ASPL机构能够适应早期到中期站姿阶段的稳定性，而不需要髋关节额外的肌肉力量来启动后期站姿的摆动，并产生步行性能的全面改善。使用稳定性建模技术，证明了双轴构型可充分适应6至12岁（男性和女性）儿科人群的身高范围。CASPL膝关节的髋关节运动范围更大，但是参与者也能够在髋关节运动范围方面获得更好的步态对称性。本研究中用于评估ASPL机制功能的另一个指标是髋关节伸展和屈曲力矩峰值。当分别在负荷反应和摆动开始阶段进行比较时，尽管行走速度不同，但CONV和CASPL膝关节之间的测量结果相似。由于髋关节力矩与步行速度呈正相关，因此在相同的步行速度下，CASPL产生的力矩可能比CONV膝盖产生的力矩略低。这可能会导致行走时肌肉力量降低，并可能导致疲劳。

本文设计了一种儿童2轴ASPL膝关节假肢原型并进行了初步验证研究，以提供设计的生物力学评估，特别是侧重于姿态控制机制的稳定性和功能性。数据表明，站姿控制机制提供了站姿阶段的稳定性和从站姿阶段到摆动阶段的过渡。

C. C. Ngan and J. Andrysek, "Modeling and Design of the Automatic Stance Phase Lock (ASPL) Knee Joint Control Mechanism for Paediatric Users With Transfemoral Amputations," in IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, vol. 28, no. 1, pp. 203-210, Jan. 2020, doi: 10.1109/TNSRE.2019.2952004.