文摘
(MTP)跖趾关节人类运动中扮演关键角色。MTP关节功能限制或损失将导致较低的步行速度,贫穷走平衡,和更多的代谢消耗能源的成本相比,正常行走。然而,现有的足部矫形器的重点是维持踝关节的运动,没有协助MTP关节。在本文中,为了提高下肢损伤患者的行走性能,一个可穿戴的脚矫正法(WPFO)驱动MTP关节是设计和建造。初步实验三个健康受试者展示了功能和性能的WPFO提供正确的背屈和跖屈援助MTP联合在散步。这些结果还表明,WPFO可以提供承诺在某些应用程序和临床治疗康复。
1。介绍
Ankle-foot矫形器和假肢研究广泛的患者在过去的几十年里行走障碍造成的损伤或神经系统和肌肉疾病如创伤、中风、脑瘫、脊髓损伤、肌肉营养不良。它们旨在增强病人的基本行走功能通过保持运动的脚踝和脚的范围1)期间,提供稳定的立场(2]。根据系统驱动,这些设备可以大致分为两类,即被动设备和供电设备。无源设备,顾名思义,没有任何积极的电源和不能供应非保守的积极的工作(3]。改善他们的脚踝推出属性,所谓的能量存储和恢复(ESR)研究人员提出的机制4]。具体来说,机械装备元素与弹性和阻尼特性是在被动的设备来获取能量加载和释放它在推出(5- - - - - -7]。与被动的设备,供电设备车载电源,致动器能提供积极的和消极的工作协助用户立场阶段。他们通常由电动马达驱动8- - - - - -10),人工气动肌肉(11,12),线性或旋转式气动执行机构13- - - - - -15),和液压缸16]。在这两个类别的ankle-foot矫形器和假肢,被动元器件相对更受欢迎在日常使用中由于其简单,简洁,耐用性和舒适,但没有被证明能充分改善病人的生物力学和充满活力的成本17]。然而,一些研究已经表明,动力设备,虽然大多在研究层面,发挥承诺改善病人的运动性能,例如,降低代谢能(走18和实现更自然的步态19]。
动力研究中存在的重要问题之一ankle-foot矫形器和假体是积极协助仅适用于脚踝关节。跖趾关节(MTP)通常纳入设备被动地使用一个弧形碳复合前脚或被动旋转接头20.- - - - - -23)模仿rocker-like前脚的函数(24]。这主要是因为踝关节产生更多的工作比其他下肢的关节,后期爆发在起跑阶段(25]。然而,实际上MTP关节运动的最大范围的其他关节的脚除了踝关节26)和人类运动中扮演重要的角色。MTP关节的功能限制或损失会导致较低的步行速度,更小的步长,和更多的代谢消耗能量而正常的行走27]。这些事实表明,以进一步提高患者的行走功能,它是必要的,将有利于增加关节驱动MTP ankle-foot矫形器和假体和恢复正常范围MTP关节的运动。
因此,在本文中,我们提出一个可穿戴的脚矫正法(WPFO)由一个驱动的跖趾关节。动力MTP联合旨在提供援助在背屈和跖屈时行走时脚推离地面。为了验证WPFO的功能和性能,初步的健康受试者进行三个实验。
本文的其余部分组织如下。部分2介绍了人体行走步态和MTP关节的基础。部分3礼物WPFO装置的设计包括机械结构和控制系统。实验过程、数据分析和研究的结果发表在部分4。最后,讨论和结论部分5和部分6,分别。
2。人类的步态和MTP关节的基础
2.1。人类的步态
人类行走是连续步态周期的重复交替的身体左右腿的支持。一个正常的步态周期呈现在图1从一只脚的脚跟罢工开始和结束在下次脚跟罢工的脚。根据一条腿与地面接触的散步,一个步态周期可分为两个阶段,即:,立场阶段脚接触地面,在空中摆动阶段的脚在哪里。立场阶段确保身体发展的同时保持一个直立的姿势,而摆动阶段提出了腿准备下一步(28]。步态周期的持续时间约为60%的立场阶段,剩下的40%的摇摆的阶段。立场阶段和摆动阶段可以进一步分为多个子阶段包括加载响应,姿势,终端的立场,preswing,最初的摇摆,中间摇摆,和终端。每个子阶段与相应的运动事件和时间分布的定义是根据惯例,作为提出示意图。
2.2。跖趾关节
在散步、MTP关节的运动主要发生在矢状面。终端立场子阶段,后跟垫从地面和身体旋转相对于周围的脚趾MTP关节;换句话说,dorsiflexed MTP关节。在达到的最大背屈角大约30°的preswing子阶段,MTP关节迅速足底弯曲对神经的位置,是图所示1(29日]。虽然MTP关节产生只有少量的能源在走路,他们的运动特别是背屈扮演着重要的角色在帮助ankle-foot复杂熊体重和生成必要的推进力量向前走。在我们之前的研究30.,31日),我们调查了动力学反应人体单边MTP关节约束时在散步。步态分析12名健康受试者进行联合动力学两个条件,也就是说,正常行走,行走的MTP关节单边约束。根据结果,发现MTP的约束关节最重要对踝关节的影响。详细、垂直和前/后(A / P)平击,相应的支持和推进的冲动,时刻和踝关节的力量约束的腿明显减少。和更明显,行走速度快。这也许是由于人体的保护机制。受限,这周围的旋转的跖趾关节是受约束的影响,是不适合承载和推进。
3所示。设计WPFO
3.1。机械结构
的虚拟模型和原型WPFO设备数据所示2和3,分别。唯一的WPFO由两部分组成,即前脚板块和脚跟板块,通过主轴铰链。前脚的异形的齿轮连接板,而圆柱齿轮与异形的齿轮连接跟板。伺服电机(Maxon电动机AG)、Sachseln、瑞士)和伺服驱动(艾尔摩运动控制有限公司克瓦以色列)安装在侧板连接到跟板。圆柱齿轮是由伺服电机驱动通过一对锥齿轮。一层软材料贴在鞋底软化的影响随着WPFO与地面接触。WPFO可以与佩戴者的脚和柄通过括号。WPFO的总长度是270毫米,龙骨板之间的分布和跟板相似的比例与人类的脚。和它的总重量大约是1.2公斤。应该注意的是,重量可以减少如果定位马达在更高的位置,例如,腿和腰,传输驱动通过绳子潜水等一些方法。 However, in this study, the motor is mounted on the foot to simplify the mechanical structure of the WPFO.
3.2。控制系统
WPFO的控制系统硬件由一个控制器,伺服驱动,两个接触开关。为了简单起见,个人电脑,而不是一个单片机采用单片机作为控制器。的两个触点开关是安装在后面的跟板,另一个是安装在龙骨板在主轴附近。接触的信号开关伺服驱动器。控制器接收到反馈伺服驱动和基于传感器将命令发送到驱动状态。控制器与驱动器通过rs - 232通信协议。
WPFO的控制方案是基于有限状态机控制,如图4。步态事件被检测到当开关接触或与地面失去联系。具体地说,当跟电梯从地面(跟传感器改变从上到下),触发WPFO提供辅助背屈力矩直到脚趾开始抬起;当脚趾电梯从地面(脚趾传感器改变从上到下),触发WPFO提供辅助跖屈力矩,直到脚趾完全离开地面。低级电动机控制器是基于位置跟踪控制。MTP联合提出的参考轨迹图5是由一个多项式适合人类的跖趾关节运动数据。在开始和结束的轨迹,有加速段和减速段,分别用于整个轨迹平滑。
4所示。实验
4.1。实验过程
三个健康受试者(均值±标准差27岁±3年,172±8厘米,高度和体重65±12公斤)是从西北大学招募参与实验。经历这些主题是跑步机步行者和没有walking-related伤害,如肌肉拉伤、关节扭伤,或背部受伤的时候测试。和他们都穿着大小为了符合WPFO 8 - 9的鞋子。所有受试者收到书面和口头信息的实验过程,并书面知情同意前参与。实验进行了雪莉的腿和步行实验室瑞安AbilityLab后的机构审查委员会批准了西北大学。
为了验证WPFO的功能,话题走与嵌入式力板接合皮带跑步机(完全检测跑步机,Bertec公司,哥伦布,哦,美国)穿着WPFO右脚。所有受试者被要求走在自我选择的速度在两个条件下,在没有帮助的情况下,(1)扭矩扭矩和(2)援助。在课题实验条件的顺序是随机的。每个条件下,受试者完成3步行试验和走在每个试验2分钟2分钟休息站之间插入两个试验,以避免疲劳的效果。正式实验开始前,多个实践试验为对象,来适应设备进行。
4.2。数据采集和分析
地面行走试验期间,反作用力(平)右脚收集的板块在1000赫兹。和三维运动下肢被8相机运动捕捉系统(NaturalPoint Inc .)、科瓦利斯,或者美国)在100赫兹。使其可用于分析和比较,收集到的数据是使用自定义处理用MATLAB编写的程序(美国马Mathworks,纳蒂克)在以下方法。天然气采收率和标记位置数据首次使用四阶巴特沃斯滤波器低通滤波截止频率的20赫兹和6赫兹,分别为(32),然后从脚跟罢工被分割成一步周期到下一个脚跟罢工的脚。因为可变性的每一步的时间周期,平均数据插值和重新取样,然后在过去连续20步创建一个意味着模式(33]。之后,每个主题的获得意味着天然气采收率是归一化到相应的体重。最后,平均每门学科的参数都是在平均3试验,进一步在所有科目。
基于部分的介绍2。2,数据包括平、相应的支持和推进冲动,受限制的腿和脚踝关节力矩和功率进行了分析评估是否WPFO可能恢复自然的行走模式。支持脉冲被量化为垂直平的时间积分的立场,和推进冲动是量化的时间积分/ P平击力时直接向前(34]。逆动态分析的矢状面计算踝关节的时刻(35]。联合力量然后乘以计算关节时刻与关节角速度。积极力量发生在关节力矩与合成角速度方向相同,而负面力量发生在相反的方向。
4.3。实验结果
图6说明了平均垂直天然气采收率和A / P平是右脚在跑步机上行走在两个条件。行走在推进阶段,支持力的峰值(正面垂直平)增加了约12%的体重,同时向前推进力的峰值(正/ P平)增加了约8%的体重。
支持脉冲和推进脉冲将垂直平的大小和持续时间和A / P天然气采收率进行了分析和呈现在图7。显然,走路时转矩与援助,支持脉冲和推进脉冲增加。
数据8和9现在,右脚踝的力量在一个完整的步伐跑步机上行走在两个条件下,分别。脚踝时刻行走与援助比,没有帮助。和提高峰值功率是由受试者在起跑阶段生成WPFO的援助。
在上面的数据数据6来9的数据对象与鞋走路也提出了。通过比较没有援助和鞋走路的数据,可以发现WPFO没有援助有小影响正常步态模式。具体来说,平、冲动和脚踝关节力矩和功率略有下降。此外,行走的比较数据与援助,没有援助表明WPFO援助使得步态模式回到一个更规范的行为。
5。讨论
本研究的目的是设计一种新颖的可穿戴的脚矫正法的一个驱动MTP联合来帮助患者实现背屈和跖屈的MTP关节。从实验中,我们发现足够的转矩可以由一个200瓦的电伺服电机,通过减少传播的权力机制。飞行员健康受试者使用收集的数据来演示WPFO装置的功能。是验证WPFO能够提供背屈和跖屈援助在散步。的辅助功能提出WPFO最清楚地说明了垂直天然气采收率和A / P平转矩数据在行走试验与援助。垂直平第二峰值的增加,峰值的增加积极/ P平是指示性提供了更大的推出力的WPFO向前推进立场后期阶段。更重要的是,平的时机和时刻,踝关节的力量数据显示小立场阶段的持续时间之间的差异在两个实验案例,表明WPFO可以提供快速响应和恰当的功能支持。
现今,很多人都患有下肢残疾引起的中风、脑瘫、脊髓损伤、肌肉营养不良。障碍严重影响他们的生活质量。因此,有一个不断增长的需求在矫正的技术进步和假体系统,特别是便携式和动力设备。我们之前研究的基础上,MTP关节的影响对人类行走表演,我们提出并构建小说WPFO MTP联合供电。WPFO提供了一个潜在的新形态应用于家庭辅助行走训练和临床康复或治疗。和希望,这可能有助于改善功能结果的日常训练和治疗。
尽管取得了令人鼓舞的结果从这个研究中,仍有一些重要的局限性。首先,WPFO设备有点重。减少重量、执行机构和控制系统可以被重新安置的腿或腰部。金属材料也可以取而代之的是复合材料与高强度和刚度,但低密度。其次,本研究中采用的致动器是刚性的。它会更好如果兼容的致动器等系列弹性致动器或气动人工肌肉,因为固有的人机交互的遵从性是至关重要的。第三,两个触点开关只能检测地面之间的接触状态,唯一的两个特定点。更多的力敏电阻分布下唯一能提供更可靠的行走时步态事件检测。最后,我们只测试了WPFO健康受试者。更多的实验必须进行障碍患者MTP关节进一步演示设备的功能。
6。结论
本文设计和评价一个小说WPFO设备驱动的跖趾关节。提出了WPFO帮助提高行走性能,患者的跖趾关节损伤。飞行员的健康受试者展示了数据从三个功能WPFO提供功能性的援助在MTP联合走路,这表明WPFO可能会利用在某些应用程序和临床治疗康复。在未来,我们的研究将集中在改善硬件WPFO装置的结构和控制方案。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项研究是由美国国立卫生研究院的资助和支持(NIH)授予R01HD082216作者m .吴中国奖学金委员会(CSC)给予作者201606120094 y . Liu和中国国家重点研究和发展计划给予作者x 2017 yfc0806501藏下。