文摘

最先进的transtibial接口只提供踝关节驱动,因此不提供biarticular切除腓肠肌肌肉的功能。我们开发一个假肢,促动膝盖和脚踝关节,然后评估的增量影响假肢踝关节驱动相比。义肢采用quasi-passive clutched-spring膝盖矫正法,近似的主要等距行为生物腓肠肌和利用商业驱动ankle-foot假肢踝关节功能。两个参与者与单边transtibial截肢走这个假肢仪器的跑步机,而运动、力量,和代谢数据收集。数据进行分析,以确定差异biarticular条件激活的膝盖矫正法和关节条件作为一个万向节与行为矫正法。假设,biarticular系统既可以减少患侧膝关节和髋关节时刻脉冲在两个参与者和积极的机械功走路的姿态膝盖弯曲阶段,后期关节相比条件。行走的代谢消耗也减少了对参与者。这些初步结果表明biarticular功能可以提供好处甚至超过了最先进的关节假体。

1。介绍

失去一条腿膝盖以下能产生强大的影响一个人的生活质量(1- - - - - -3]。广泛,被动ankle-foot假肢在当今市场上只提供一个基本的近似人体踝关节的功能(4,5]。而不是提供净机械工作期间佩戴者走路,这些被动元器件在春天的最好方式;他们只能提供尽可能多的机械能返回由佩戴者提供给他们,他们不提供清晰度通常出现在生物ankle-foot复杂在散步。作为证据的技术限制,transtibial截肢者显示多种病理特征的步态行走。具体来说,transtibial截肢者自然选择一个30 - 40%比那些没有截肢行走速度慢,和走路时步伐nonamputee,这些截肢者需要20 - 30%的代谢能力比nonamputee同行(4,6- - - - - -8]。此外,这些截肢者表现出水平的提高臀部积极立场后期阶段。增加臀部力量可能是代偿反应缺乏小腿肌肉功能和代谢而增加可能导致上述走(4]。

在过去的几年里,机器人假肢技术的进步导致了引入动力ankle-foot假肢(授权、BionX医疗技术,Inc .,贝德福德,MA),这与传统的被动设备,提供水平的机械功与提供的那些人类ankle-foot复杂。由于这个功能改善,许多上述步态病态已经大幅减少;使用动力假肢的截肢者更喜欢走路速度,代谢消耗在给定速度,和对侧肢体的影响不显著不同于nonamputees [9,10]。这些改进被认为源于这些设备提供的推进净机械功佩戴者(9),因为这推进有助于重定向,重心,从而减少碰撞的侧肢体11- - - - - -14]。这种脚踝推进也协助swing-initiation患侧肢体的15- - - - - -18]。

这些新的假肢设备,然而,限于模拟独自ankle-foot复杂的功能,因此无法恢复全部功能强大的腓肠肌肌。腓肠肌不仅提供了一个踝关节跖屈的时刻,而且膝盖的弯曲力矩。没有knee-flexing功能,补偿机制是必要的。事实上,transtibial截肢者在平地走路腿筋肌肉活动表现出高于nonamputees [19),可能是为了稳定或弯曲膝盖的非功能性腓肠肌肌。这种更高的肌肉活动仍明显截肢者与动力ankle-foot假肢行走时,表明关节干预仅ankle-foot复杂可能不足以恢复生物功能。这是可能的病理肌肉活动对截肢者步态有不利影响。然而,小的工作已经完成制定恢复丢失的腓肠肌功能的设备。

自从transtibial截肢患者维持生物膝关节,这些关节的直接援助需要使用一个骨骼外设备如矫正法在平行于现有联合提供援助。各种机器人矫形器开发协助人力膝关节运动。许多这些设备利用活性成分如电动马达(20.- - - - - -22)或气动执行机构(23- - - - - -26),但这些元素往往需要一个大的电源或其他需要场外的拴在驱动,限制了他们的适用性的范围。另外,一些研究人员已经开发出quasi-passive膝盖外骨骼,不提供净机械功率佩戴者最多,而是需要最少输入功率操作电子和机械部件(27- - - - - -30.]。在这个研究中,一个弹簧、自定义齿离合器是专为协助扩展的时刻在人类运行(29日]。这个设备锁定支持nonamputee参与者的膝盖在立场阶段,解锁万向节在摇摆不定的阶段。使用这个quasi-passive设备,大型膝盖190海里的时候可能会支持体外骨骼关节重量只有710克。建了这个,其他的外骨骼协助膝盖nonamputees扩展,但迄今为止没有这样的设备已建成膝盖弯曲援助,尤其是腓肠肌,那些transtibial截肢。

为了开发一个腓肠肌的辅助设备,重要的是先了解这块肌肉功能。体内超声显示腓肠肌肌束长度在很大程度上是等距在平地行走的早期和mid-stance阶段(31日),这表明被动组织如肌腱负责腓肠肌的功率输出。因此,腓肠肌可能近似抓住春天,春天代表顺从的腱性结构,代表同分异构地表演的离合器肌肉纤维。事实上,人类步态模型Endo和赫尔只有弹簧离合器结构在膝关节经济能够实现类似人类的代谢,而捕捉人类行走的主要动力学特性(32- - - - - -34]。因此可能一系列物理离合器弹簧可以提供大部分的失踪transtibial腓肠肌的截肢患者膝关节功能。

研究人员开始研究机器人设备的影响在患侧膝关节提供失踪的腓肠肌的膝盖弯曲力矩。在第一次研究[35quasi-passive膝盖矫正法),被称为人造腓肠肌(AG)是建立基于弹簧离合器表示上述Endo-Herr腓肠肌的模型。AG)是物理上实现clutchable矫正法膝关节旋转弹簧。两份AG),以及powered-ankle-foot穿假肢(PAFP),测试两腿一个双边transtibial截肢,可喜的成果:通过患者的代谢能量消耗减少AG-PAFP条件,截肢者走在同样的速度相比只有传统leaf-spring-type ankle-foot假肢。然而,由于PAFP不是AG)的独立测试,目前尚不清楚什么增量影响AG)已经在PAFP孤单。的需要,因此,存在评估增量AG)的生物力学和代谢的影响。

在这项研究中,我们设计和评估一个新版本的AG)单元,基于体外骨骼膝盖离合器设计(29日]。我们评估的影响这个新AG-PAFP transtibial截肢者的步态行走。我们关注后期的姿态行走的膝盖弯曲阶段,在此期间膝盖弯曲摆动阶段准备,所以检测改进病理被认为是最有可能的影响缺乏小腿肌肉功能(4]。我们希望的能量存储在春天AG)在步态周期的早期将返回在后期积极立场膝盖弯曲来取代肌肉工作。具体来说,我们假设包括clutched-spring AG)在患侧膝关节transtibial截肢者结合PAFP会减少生物弯曲力矩的冲动和积极的机械功的患侧膝关节和髋关节在后期立场膝盖弯曲,而相同条件下只有PAFP。我们进一步假设这些变化将提供一个相应的减少代谢走的成本。我们预计,这种代谢减少将源于减少关节力矩和净工作影响膝盖和臀部关节。我们评估这些假设通过分析运动学、动力学和代谢两个transtibial截肢者步行AG-PAFP组合在一个仪器的跑步机。我们比较这些数据之间的两个条件AG)和作为一个万向节很活跃。

2。方法

两个设备被用于这项研究的干预。提供的动力ankle-foot假肢踝关节在矢状面函数,和quasi-passive人工腓肠肌(AG),这是一个clutched-spring关节,是安装在膝盖患侧膝关节矫正法。在一起,这两个设备代表了biarticular transtibial假肢可以开动独立两个关节。

2.1。动力Ankle-Foot假肢

一个授权驱动ankle-foot假肢(BionX,贝德福德,MA)作为所有临床试验的假肢。这个假肢提供积极的净功率的能力水平与人类的ankle-foot复杂(9]。假的核心是一系列弹性装置,包括一个无刷直流电机,滚珠丝杆,碳纤维钢板弹簧。背屈角度,刚性硬停,减少所需的转矩电动机在背屈和作为安全特性在发生电源故障。假的总质量和电池是1.8公斤。

假肢控制器采用一种积极的力量反馈策略,用来近似生物肌肉动力学和神经反射。启用无线通信链路实时优化控制参数。

2.2。离合器弹簧连接

AG),如图2膝盖矫正法,由一对多中心铰链连接的大腿袖口1/8′′厚铝支架的铝片股票(6061 - t6)。支架连接到参与者的套接字,假体之间的桥塔附件和套接字。近端一侧的支架被绑在参与者的大腿是一个典型的膝盖矫正法。自定义,dog-tooth旋转离合器弹簧系列是横向附加到膝盖,并行铰链。

这个离合器弹簧接头是基于先前的设计29日]但系列合规和逆转离合器的牙齿,牙齿的方向提供了膝盖弯曲的时刻,而不是延长时间佩戴者。此外,我们的设备缺乏一个行星齿轮火车,出现在前面的工作。加工离合器组件由6061 - t6铝合金和包括两个戒指的狗的牙齿,聚集在一起的行动电磁(LT8x9,卫报电气,伍德斯托克IL)。如图1离合器控制的相对旋转住房到转动离合器环。电磁是建在中间的关节和翻译方向medial-lateral行动下的驱动电源和复位弹簧。电磁能量时,翻译离合器环与旋转离合器订婚戒指。的翻译离合器环约束的旋转旋转板反过来,是连接到住房通过两个切向线性压缩弹簧。因此,电磁能量时,住房是耦合的转动离合器环通过这些弹簧。电磁不活跃时,返回弹簧分离翻译离合器环从转动离合器环,因此,他们可以彼此自由旋转。选择返回弹簧刚度实验所以当离合器开发超过0.5 Nm的扭矩,牙齿摩擦阻止了两圈的分离。这种tooth-binding效应作为一种安全机制,包括作为一个控制算法的一部分,如部分所述2.8。这提到的摩擦离合器维护抓住状态直到扭矩水平回落到0.5 Nm的安全价值。结果,大部分的能量存储春天只能逐步释放到佩戴者的腿,而不是突然进入机制。

的住房离合器的螺栓的大腿袖口膝盖矫正法。的转动离合器环连接到一个远端输出链接一个线性滚珠轴承和径向滚珠轴承,串联。这些轴承适应运动之间的差异的多中心铰链矫正法和单轴旋转的离合器接合。因此,只有力量倾向于flex或扩展联合可以通过这组轴承传播。

2.3。传感

AG)已经使用的机载遥感控制算法。膝盖AG)的角度用10 kOhm旋转电位计测量。膝盖时刻弹簧离合器元素使用者所提供的被测量的偏差估计的两个相同的切向弹簧8 kOhm线性电位计。电位器的电压输出比例的实验获得提供估计的扭矩应用取决于佩戴者的AG)。这种获得发现通过应用不同的切向力撑的末端用测力计(衡量力臂= 28厘米),当离合器订婚。这个力和力臂的计,膝力矩计算,比较适用于电压线性电位计的读数达到比例因子的转换电压Nm / rad。结果测量弹簧离合器膝盖扭矩阅读随后被称为AG膝盖的时刻。类似的校准程序都使用了AG angle-sensing旋转电位计和红外摄像系统(模型t40 Vicon运动系统Ltc,牛津大学,英国)。在这个校准过程,反光标记被放置在中心的联合和远端和近端矫正法的目的。概略介绍关节角被获得的相对角度计算线路连接远端和近端标记联合中心标记。 These angles were then compared to voltage readings from the angle-sensing potentiometer. Prosthesis-side ground contact was detected using a resistive pressure sole footswitch (model: FSW, B&L Engineering, Santa Ana, CA), inserted into the shoe between the prosthetic foot and the insole.

2.4。失效分析

与钛齿环在体外骨骼离合器(29日),本研究的离合器是由铝。因此,有必要重新评估牙齿的承载极限。有限元分析(FEA)进行利用Solidworks (DS Solidworks集团,沃尔瑟姆,MA),以确保这个离合器可以支持所需的膝盖的时刻。切向载荷模拟对称的技巧模拟最坏的情况下加载的所有牙齿。

2.5。建模和弹簧刚度的选择

切向弹簧的弹簧常数的选择允许旋转离合器弹簧的刚度的控制元素。离合器弹簧的刚度是可取的联合是这样的弹簧离合器行为人为腓肠肌最密切繁殖的腓肠肌肌肉行为健康的腓肠肌。为此,走健康nonamputees美联储作为输入数据的修改版本Endo-Herr矢状面人工腿模型(32- - - - - -34)的开发过程中人工腓肠肌(35]。

2.6。控制

quasi-passive人工腓肠肌没有产生积极的净机械功佩戴者,但仍需要一个控制系统来确定适当的时间进行,松开离合器。这个控制器把膝关节角和姿态信息作为输入,并适当地从事离合器通过每个步态周期。离合器控制接触最多的立场膝关节屈曲角度,使弹簧储存能量在随后膝盖扩展和弯曲摆动阶段,如图3。

2.7。控制电子设备

计算机控制平台AG)是一个商业单板计算机(rpf模型:覆盆子π版本B,各处,剑桥郡,英国)。电脑也要多些ARM11处理器,配有800 MHz的512 MB SDRAM, Debian Linux。系统是由一个6芯锂聚合物电池(额定电压22.2 V)。

2.8。控制算法

高级控制使用有限状态机实现,在Python中实现。步态周期分为四个状态,如图4:摇摆不定的;早期的立场;抓住;和后期的立场。

的摇摆不定的从任何其他触发状态患侧的脚离开地面时,检测到一个脚踏开关信号,焊,不到一个分数,最大可能的信号。在摇摆不定的离合器是残疾人,让膝盖自由摆动。

的早期的立场被触发的状态摇摆不定的国家在脚与地面接触的一侧膝盖伸直,摩擦搅拌焊增加到立场阈值定义为, ,提供当前状态的时间, ,至少需要的最小时间摇摆不定的状态, 。在早期的立场状态,离合器是残疾,控制器监控膝角撑的最大立场膝盖弯曲,此时抓住政府将参与。一个最小二乘算法,类似于以前使用(29日前的剩余时间,不断地预测最大膝关节屈曲角度。这种预测提供启动离合器的接触时间,使离合器将全力尽可能最大的时候膝盖弯曲。除了这个膝盖弯曲检测算法,两个安全功能以保证被检测出的运动造成的步态行走。的抓住国家只能启用如果也满足以下两个条件:膝盖弯曲最小角角的脚跟罢工, ; 最大的膝盖弯曲角速度, ,测量过程中早期的立场国家至少 。的值和在早期测试中实验确定的值最低,成功地阻止了假触发抓住国家稳定之外,平地行走步态(表1)。

的抓住状态,激活离合器附近的最大膝盖弯曲姿态阶段散步。这种状态被激活,当下列条件得到满足:最大的立场弯曲角度预测的时间内发生当前时间,膝盖角度弯曲超过一个阈值, ,和最大的膝盖弯曲角速度, ,在早期的立场状态超过一个阈值。条件和被用来区分缓慢的行走步态,nongait动作,后者没有激活的离合器。

的后期的立场状态为关闭后的离合器订婚。一旦离合器弹簧开始发展力,离合器的牙齿会绑定,防止离合器分离,直到弹簧力充分下降。因此,离合器电磁阀被进入停用后期的立场当时间的状态抓住状态, ,超过了离合器超时阈值, 。

为了最大化弹簧储能和返回,这是可取的,使离合器尽可能接近峰值的膝盖弯曲的时刻早期的立场状态。事实上,离合器电磁阀需要订婚之前稍微所需的抓住时间,为所需的时间关闭帐户之间的差距两套离合器的牙齿。实现必要的峰值预测立场弯曲,使用了有预见性的算法。

首先,膝角中后期的立场状态被近似为抛物线,鉴于这种假设,抛物线的顶点的位置可能发现通过执行一个线性适合膝盖角速度数据,通过运行资金,解决零交点。这里使用的算法是由(类似于一个描述29日]。然而,早期的算法假设一个固定的时间步,与系统并不适用在这项研究中,作为计算机平台并不是一个真正的实时系统。因此,这里提出的算法没有假定一个固定的时间步。

的参数 最小化误差的最小二乘线性模型 时间序列数据 是 的矩阵有元素 和是在离散采样th元素向量。扩大(1)的收益率 所有合计(3跨度)从1到 。估计任务的角速度随着时间的推移,的值时间戳,的值是膝盖角速度值。窗口的大小 ,最近的的值和保持在一个队列。在每一个新的步伐,最古老的价值观和从队列中出现,而当前和值被添加到队列中,保持第0个元素作为第一个队列中。这种方法允许资金更新每个步伐,而不需要存储所有值的金额计算。最后,角速度估计时间的零交点 。实验发现,抓着时间的最小误差之间发展的起始离合器扭矩和膝盖弯曲角峰值发生离合器订婚前50毫秒时预测最大的膝角。因此,延时参数, ,被设置为50毫秒。

2.9。试验协议

两个参与者below-knee截肢参与这项研究(表2)。两个参与者右侧单边截肢和一般健康状况良好。麻省理工学院进行临床评估(Cambridge, MA)和麻省理工学院委员会批准使用的人类实验对象(COUHES)。每个参与者提供书面知情同意,之前获得的数据收集开始。

红外摄像系统(模型t40 Vicon运动系统Ltc,牛津大学,英国)是用来跟踪的三维运动,记录在100赫兹,反光标记,放置在47个解剖位置对参与者的身体,根据海伦·海耶斯标记模型。地面的反应力和压力中心的位置是使用dual-belt仪器测量的跑步机(Bertec公司,哥伦布,哦)1 kHz的采样率。走在每个条件的净代谢成本估计使用标准开路气体交换技术(cosm模型:K4b2,罗马,意大利)。

在每个会话的开始,参与者被要求不动力假肢代替传统假肢。膝盖矫正法的AG)然后粘贴到假肢,穿上了参与者。

对于每个参与者来说,假肢控制器的电源设置调整使用商业调优应用程序作为参与者在跑步机上走1.25 m / s,实现净假肢每一步的工作是在一个标准差的意思是nonamputees行走在同一步行速度(36]。验证,假肢的净工作的水平保持在期望的范围内对步行环境对于一个给定的参与者(0.045到0.16 J /公斤),这种程度的净工作保持合理一致的为每个参与者在行走条件。

大约15分钟的短时间内得到了确保假体和人工腓肠肌矫正法是正常运作。这种适应环境评估通过验证,离合器在步态周期的接触和分离在适当的点(如在图3),PAFP网机械功是合理的生物相比值。

动力假肢和人工腓肠肌穿所有试验。参与者被要求执行一个站试验测量站的新陈代谢。在跑步机上行走试验进行的速度1.25米/秒。

两个行走条件进行测试:一个基线条件(基线)的AG)充当了万向节与弹簧离合器残疾人在膝盖,和一个活跃的条件(活跃的),AG)是控制弹簧抓着膝盖的控制算法进行了描述。两种情况下,动力ankle-foot假肢是活跃的。的基线条件代表关节transtibial假肢,膝关节是一个万向节离合器时不活跃。然而,设备的质量分布是一致的活跃的条件。因此,直接比较可以确定的增量影响clutched-spring膝关节。

2.10。数据处理

四阶巴特沃斯滤波器是用来筛选标记位置和地面反作用力数据与6赫兹和25 Hz截止频率,分别。笔和力数据位通过SIMM (Musculographics Inc .,埃文斯顿,IL)逆动力学模块生产总在三维空间中关节力矩和角度。然而,只有矢状平面动力学被认为是。患侧生物膝盖时刻贡献被减去计算AG膝盖从全膝关节力矩估计SIMM-based逆动力学。

步态事件确定使用垂直地面反作用力的数据嵌入力量盘子。近似事件时间被确定的时候发现力超过40 N阈值增加。确切脚跟罢工和脚趾头次发现向后和向前进展,分别,直到力值降至零。数据被削减步态周期基于脚跟罢工时间和重新取样101点。步态周期被丢弃的开始和结束的每一个试验,在跑步机的速度瞬变。步态周期的跨步时间低于0.7秒或以上1.3秒或一只脚跨过中线的跑步机也被丢弃。

联合的力量被计算为关节力矩和关节速度的产品SIMM-derived关节运动学,在积极的权力被定义为对环境产生的关节。积极联合工作期间晚立场膝盖弯曲的时间积分计算的积极贡献联合力量最大的立场膝盖脚趾头扩展。这个地区步态周期的选择进行分析,因为从最大扩展角膝盖弯曲,它提供了一个机会AG提供穿戴者积极的力量。关节弯曲力矩冲动是使用相同的积分计算关节弯曲力矩。净假肢工作是通过整合SIMM-derived关节转矩计算在整个步态周期的关节角。

代谢成本为每一个步行速度是通过计算平均氧气和二氧化碳的数据在一个两分钟的窗口在每个长达六分钟的审判。代谢权力使用方程计算 在哪里是瓦特的代谢能力,是吸入氧气的体积流率,的体积流率是二氧化碳呼出,然后呢和是常数与文献值(37),作为= 16580 W / L和= 4510 W / L。上述方程只适用于当代谢主要是有氧条件。这种情况的验证,呼吸交换比率(r),定义为 ,监控,只有代谢结果与r值小于1.1被认为是。

3所示。结果

3.1。机械设计

总结了机械设计的参数表3。在以前的工作(29日),牙齿制造使用轮廓铣削过程,因此,齿间距是0.4毫米的半径的限制。因此,齿间距约束4度,或90每革命。矫正法的总质量,包括电池和电子产品,是1.9公斤。

这个设计中使用的铝牙齿不应用膝关节屈曲产生的时刻接近25 Nm的期望值38),但开始产生在这个预期负载35倍(表3)。牙应力破坏载荷条件如图5。

3.2。电力消耗

考虑到电磁规范(22.2 V, 109欧姆电阻),画为4.9 W。假设每个步态周期的最大离合器时间0.4女士,每秒0.9的典型节奏步伐,电磁的能耗为2.2 W。1.1 W功率画的树莓π,设备的平均总能耗为3.3 W在典型步态行走。

3.3。联合弹簧选择

的弹簧刚度clutched-spring腓肠肌元素,源自于建模、92.9 Nm / rad [35]。近似这对膝关节旋转刚度,两个切向线性压缩弹簧与弹簧常数选择51 N /毫米。这些弹簧作用于关节力臂的32.1毫米,导致相当于关节旋转刚度为105 Nm / rad。

3.4。临床试验结果

3.4.1。适应环境

在分配的时间适应环境,参与者与AG)和PAFP能走路。参与者可以走舒适与AG)和踝关节假肢净工作是适合正常走路(见表4)。

3.4.2。踝关节假肢净功

如表所示4,产生的净功ankle-foot假肢在所需的范围从文献[36]。

3.4.3。影响膝关节动力学

患侧膝关节动力学两个参与者如图6和总结在表中5和6。特别注意,膝盖弯曲力矩的生物组成部分积极冲动和生物膝盖机械工作在后期立场膝盖弯曲阶段都减少了很大百分比的变化当受试者走的活跃的AG)的条件,相比基线条件。

3.4.4。患侧髋关节动力学

髋关节屈曲时刻如图7和髋关节屈曲瞬间脉冲值表进行了总结7。臀部机械功净值为参与者如表所示8。与膝关节,髋关节屈曲瞬间冲动和积极的机械功在参与者的立场弯曲都有所下降。

3.4.5。新陈代谢

净代谢能力(站所需的功率减去)是列在下表中9。两个参与者显示小比例减少代谢走路时的成本活跃的条件,比基线条件。

4所示。讨论

我们设计新颖的quasi-passive人工腓肠肌一直在测试我们的初步研究,发现机械功能的任务提供一个弯曲协助时刻患侧膝关节生物。设备超过扭矩要求,只需要少量的电力。这些属性使这个装置实验的主要候选对象,对于那些transtibial截肢,最终目标的改善该人群的行走步态。

本研究的初步结果表明,一些措施的步态可能尤其受到干预的影响。飞行员数据支持的假设这个人造腓肠肌可以减少生物膝盖弯曲力矩和生物患侧膝关节的积极的工作,而同样加权关节假体,在后期的立场膝盖弯曲。尽管短时间内适应膝盖矫正法,参与者减少了生物膝盖时刻概要文件,从而允许AG)接管一些动态负载。这种行为是一致的与其他研究涉及骨骼外干预在脚踝39和髋关节40]。生物的减少膝盖的时刻从可穿戴设备设计的角度来说是有益的,因为这意味着AG)的人很快就能取代生物功能的设备。

也是猜测,患侧髋关节屈曲瞬间脉冲和臀部两参与者积极的工作期间减少后期立场膝盖弯曲。这些减少可能由于弹簧的能量返回,这帮助flex臀部。虽然小,但这种影响可能弥补否则臀部力量表现出增加了transtibial截肢者(4]。

鉴于动力学结果,也就不足为奇了轻微的代谢也证明了改进。减少净生物机械工作应该积极对应减少同心肌肉工作,从被动的组织,根据定义,不能产生积极的工作。这减少肌肉工作,反过来,会降低代谢成本(41,42]。

5。结论和未来的工作

尽管今天的进步关节transtibial假体,其局限性还表现在病理步态。本研究建立在假设主要病理是由于缺乏biarticular腓肠肌函数。我们的方法恢复这个biarticular组件通过一个人工腓肠肌显示初步但可喜的成果向transtibial假肢有效性的提高。

这本小说人工腓肠肌的quasi-passive性质意味着设计可以排除大量的组件(比如大型电池和马达。但仍然,这个设备能够产生生物层次协助transtibial截肢患者膝关节的时刻。低功率的画也有助于使该设备适合日常使用,电池寿命会不会成为一个问题的一天。

AG),尽管缺乏的能力产生积极的净机械功,做演示的能力减少截肢代谢测试两个截肢者的运输成本。这个初步结果表明biarticular设备可能有可能改善截肢者的生活质量之外,即使最先进的关节设备。这些代谢的好处可能来自于减少膝盖和臀部的组合的时刻和权力在患侧腿。

然而,由于缺乏统计力量,需要更多的工作来验证这种影响更多的参与者。此外,轻微的增加的净ankle-foot假肢的机械工作期间积极条件可能占这个小代谢的一个不可忽视的部分利益。然而,如果代谢改善确认为其他截肢者在保证不增加积极的工作从假肢脚踝,它将表明,代谢的改善可能transtibial截肢者不需要注入积极的机械功。

它将有利于执行额外的实验,更广泛地探索这个设备。每个人都有自己的步态特征,和一个匹配的其他人类步态仅仅基于身高和体重有其局限性。因此,它是可能的,尽管设备的接头刚度通过优化选择,这个刚度值可能没有对应的最优值给定的截肢的参与者。此外,在撑本身可能会改变固有的合规有效装置刚度的设计规范。未来试验可以更系统地改变关节刚度找到新陈代谢的最优值,然后进行比较,从模拟。

此外,它可能是可取的,超越quasi-passive腓肠肌肌肉的模型。看到生物腓肠肌生成几个焦耳的净工作每一步(43,44),更大的好处可能通过提供净功截肢者。根据定义,这个网不能与quasi-passive设备产生机械功,,因此,需要一个不同的机制来测试这个假说。quasi-passive或设计中积极transtibial腿假肢,我们觉得biarticular腓肠肌驱动是一个重要考虑事项。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关这篇文章的出版。

确认

这项工作是由麻省理工学院媒体实验室部门资金。