![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/18147292/bg1.jpg)
ISSN 1000-0054
CN
11-2223/N
清华大学学报 (自然科学版)
J T singhua U niv (Sci& T ech),
2007 年 第 47 卷 第 5 期
2007, V ol.47, N o.5
9/36
647-650
一体化小腿假肢对线角度优化设计
贾晓红, 李小兵, 王人成, 金德闻
(清华大学 精密仪器与机械学系, 摩擦学国家重点实验室, 智能与生物机械分室, 北京 100084)
收稿日期: 2005-12-19
基金项目: 国家自然科学基金资助项目 (50305013)
作者简介: 贾晓红 (1972— ), 女(汉), 山西, 副教授 。
E
-
mail
:
jia x h
@
mail
.
tsinghua
.
edu
.
cn
摘 要: 在一体化小腿假肢设计阶段,必须确定接受腔和腿
管之间的正常对线角度。该文以矢状面和额状面 2 个对线角
为设计变量,以异常对线下 3 个下肢生物力学特性参数与正
常对线下相应取值偏差最小为优化目标,建立了优化计算模
型。根据步态实验数据和小腿三维动力学模型,采用二次插
值法,计算并获得了最优对线角。矢状面有 0.32°屈膝角,额
状面有 2.85°内收角,与实验测量值基本一致。该算法可以
用于一体化假肢的数字化设计和传统组件式假肢对线准则
的制订。
关键词: 一体化假肢; 优化设计; 对线
中图分类号:
R
318.01 文献标识码:
A
文章编号: 1000-0054(2007)05-0647-04
Optimal design of prosthetic alignment
ang le fo r m onolithic pro sthe tics
JIAXiaohong
,
LI Xiao bi ng
,
WANG Re nche ng
,
JI N Dewe n
(
D ivision o f Intelligent and B iomechanical System
,
State Key Labo ratory of Tribio log y
,
Depa rtm ent of Precision
Instruments and Mechanology
,
T singhua Un i versity
,
Beijing 100084
,
China
)
Abstract
: T h e tw o alig n m e n t a n gles b etw een th e p ro s th etic s o ck et
and the shank m u st be specified w hen a m on olith ic p ro sth etics is
designed. T h is paper d escribes an optim al design m odel using
alignm ent angles in the sagittal plane and the frontal plane as
optim izatio n variab les w ith the optim al objectiv e fu n ction to
m in im ize the deviation of th ree biom echan ical param eters of the
low er lim b related to m isalignm ent effects. G ait analysis
experim ents a n d a th ree-d im en sion al rigid -body d y nam ics m odel fo r
a trans-tibial am putee define tw o optim al alignm ent angles, 0.32°
for the knee flexion and 2.85°for the socket adduction using double
in terp o la tio n . T h e resu lts m a tch w e ll w ith th e exp erim entalresults.
T his optim ization algorithm can be u sed for num erical designs of
m onolithic prosth etics and for setting alig nm ent criteriafor
traditional m o dular prosth eses.
Key words
: m o n olith ic prosthetics; op tim al design; prosthetic
alignm ent
小腿假肢只有在正常对线状态下,才能保证患
者穿戴假肢后获得更舒适、更接近正常、更安全、更
节能的步态; 但是,目前假肢对线主要依靠技师手
工完成,不仅耗时耗力,而且取决于技师的经验和水
平,主观性强,并且在假肢使用过程中,由于对线装
置的松动或者患者的误操作,也会导致假肢偏离正
常对线状态。随着生物力学、材料科学和制造工艺的
进步, V alenti
[1]
在 1991 年提出了一体化假肢的思
想,将接受腔和腿管设计为整体,以减少假肢对线的
难度和工作量。这就要求必须在假肢设计阶段,确定
接受腔和腿管之间矢状面和额状面的对线角度。
尽管许多学者深入研究了对线对患者步行生物
力学特性的影响,但是由于患者的个体差异和自身
不同的调节能力和适应能力,难以得出一个统一的
可指导对线的最优准则。
A ndres
等
[2 ]
认为正常对线
应该使步态参数和关节力矩高度对称,但是 W inter
等
[3]
指出步态对称时患者的功能并非恢复到最佳水
平,相反患者为达到功能最佳而自发地寻找一种新
的非对称步态。Hansen等
[4 ]
认为当假脚与腿管之间
的相对位置与人体生理结构一致时,属于正常对线。
Blum entritt等
[5 ]
通过实验发现当残侧膝关节力线
位于膝关节解剖中心前 10~30
mm
时,对线达到最
优状态。而 S an d ers 等 和 G eil 等
[6,7 ]
认为残端压力和
足底压力分布状态是评价对线是否最优的依据。
作者的研究
[8]
发现,为寻找能够用于指导对线
的客观依据,需要从步态外观、运动学参数、动力学
参数、压力等方面综合考虑。正常对线实现的最优状
态应该是各指标总体性能最优而非单项最优。以此
为基础,本文建立了优化计算模型,通过综合评价步
态实验和理论计算获得的下肢动力学特性参数,得
出正常对线下接受腔与腿管矢状面和额状面对线角
度的最优值。