刁子龙，曹学军，魏艳琴，马鑫鑫

1例单侧大腿截肢者穿戴四种假肢膝关节步行能力的评价①

刁子龙1,2，曹学军2,3，魏艳琴2，马鑫鑫1

目的 比较1例单侧大腿截肢者穿戴四种不同假肢膝关节后的步行能力，为临床开具假肢处方提供参考。方法 1例单侧大腿截肢者分别穿戴机械四连杆、气压四连杆、液压单轴和智能假肢膝关节，穿戴智能日常活动能量消耗记录仪进行计时起立与行走测试、室内6分钟步行测试、静态站立平衡测试和室外1000 m步行测试。结果 截肢者穿戴智能膝关节假肢比穿戴其他膝关节假肢在步行过程中能量消耗少，步行速度快。结论 不同假肢膝关节对单侧大腿截肢者步行能力影响不同。

大腿截肢者；假肢；步行能力；假肢膝关节；评定

大腿假肢的主要功能部件是膝关节和假脚，其中假肢膝关节的作用最为重要。由于截肢者失去了膝关节，相对于小腿及下肢远端截肢者来说，对身体的控制将更加困难，步行的稳定性、安全性及步态姿势也有一定差距，因此单侧大腿截肢者穿戴具有良好控制功能膝关节的假肢，可以帮助截肢者实现站立的稳定及步行过程的自然美观，影响着截肢者的步行能力水平[1]。

穿戴假肢后步行能力的评价对截肢者康复计划的制定与实施、康复效果的评价有一定的指导意义，但目前对单侧大腿截肢者步行能力的评价方法并不统一。常用的方法有定性评定法、量表法[2]、三维步态分析法[3-5]等，其中参考指标主要为步行速度、步态对称性和步行的能量消耗等。性能良好的假肢膝关节可以帮助大腿截肢者在站立期及支撑期防止过度屈曲，避免截肢者在站立和行走过程中跌倒；在步行摆动期控制假肢小腿摆动的速度，使截肢者步态更加自然[6]。

假肢膝关节的种类有很多，目前比较常见有机械假肢膝关节、智能假肢膝关节等，其中机械假肢膝关节以单轴膝关节、多轴控制膝关节、流体控制膝关节(液压和气压)为主；智能假肢膝关节主要以微处理器控制膝关节摆动，如德国奥托博克的C-Leg假肢。目前国内外学者普遍认为，智能假肢膝关节及液压控制膝关节对单侧大腿截肢者步行能力的改善作用较大，但评估结果多为提取自步态分析实验室中的短距离步行信息，受制于实验场地、仪器等条件因素，无法真实反映单侧大腿截肢者在实际生活中穿戴不同假肢膝关节的步行能力情况[7-8]。

本研究对1例大腿截肢者穿戴四种不同膝关节进行平衡、室内步行和室外复杂路面测试，客观评价穿戴不同假肢膝关节对单侧大腿截肢者步行能力的影响，为假肢相关临床工作者对大腿假肢膝关节的选用及处方开具提供参考。

1 资料与方法

1.1 一般资料

患者男性，47岁，身高174 cm，体质量70 kg，1998年因驾驶车辆刹车失灵遭遇车祸致左侧大腿截肢，术后2周安装假肢进行康复训练。

查体：患者左侧大腿截肢，坐骨结节至残肢末端距离32 cm，双上肢肌力Ⅴ级，健侧及截肢侧残存肌肉肌力Ⅴ级，关节活动度均正常。残肢皮肤感觉正常，无瘢痕及未愈合创面。

1.2 方法

1.2.1 假肢膝关节的选择

选择大腿截肢者较常选用的四种假肢膝关节用于测试，包括机械四连杆假肢膝关节(Ottobock 3R20)、气压四连杆假肢膝关节(Ottobock 3R78)、液压单轴假肢膝关节(Ottobock 3R80)、智能假肢膝关节(Ottobock C-LEG)。

1.2.2 评价设备

智能日常活动能量消耗记录仪(Intelligent Device for Energy Expenditure and Activity, IDEEA)(MINISUN,Fresno,California)包含5个加速度采集单元和1个数据处理存储单元。其中数据处理存储单元系在腰部，5个加速度采集单元的位置为两侧足底第四跖趾关节近端处、两侧大腿前面中间位置、两侧胸锁关节连线中点下方。

Zebris FDM-T步态分析跑台(ZEBRIS MEDICAL GMBH,Germany)配有10,240个微型压力传感器，每个传感器大小为0.85×0.85 cm，跑台测试面积150×50 cm，采样率120 Hz。

1.2.3 评价流程

受试者参加测试前穿戴液压单轴膝关节12个月。为排除长期穿戴的膝关节对测试数据的影响，随机选择假肢膝关节请受试者穿戴进行测试，接受腔、假脚、悬吊方式等不进行更换，假脚均选用静踝软跟脚(Ottobock 1D35)。由一名具有丰富临床经验的假肢师为受试者进行假肢的调试，并指导受试者对安装的假肢膝关节进行每天不少于2 h的适应性训练，包括平路行走、上下坡路行走、上下楼梯、石子路行走等，适应1周后开始进行以下评价测试，测试之前由一名测试人员为受试者穿戴IDEEA设备。

1.2.3.1 计时起立与行走测试(Timed Up and Go Test,TUGT)

请受试者坐在配有扶手及靠背的座椅上，从座椅处站起，尽可能快速地向前行走3 m，再转身走回到座椅坐下，记录受试者完成动作的时间。测试3次，取平均值。

1.2.3.2 室内6分钟步行测试(6-Minute Walk Test,6MWT)

选取室内距离为30 m的通道进行测试。令受试者以自我感觉最舒适的速度步行6 min，通过受试者身上穿戴的IDEEA记录步行距离、步速、步频、跨步长、步态周期、单支撑期、双支撑期、摆动期。测试3次，取平均值。

1.2.3.3 静态站立平衡测试

请受试者以中立位站在跑台上进行测试，双脚对齐，身体直立，两臂自然下垂放于身体两侧，水平目视前方。记录受试者的重心轨迹长度、重心轨迹面积、X最大偏移量、Y最大偏移量。测试3次，每次测试时间为30 s，取平均值。

1.2.3.4 室外1000 m步行测试

选取1000 m规定路线，其中包含平路650 m、坡路80 m、草地50 m、碎石子路180 m、上下楼梯(20级台阶，高度15 cm)。测试全程需有实验人员陪同，保证步行路线的一致性和可重复性。测试2次，记录完成时间、总能量消耗、室外上下坡和上下楼梯时的步态数据及能量消耗，取平均值。

2 结果

TUGT测试中，液压单轴及智能假肢膝关节所用时间少于机械四连杆和气压四连杆假肢膝关节。

6MWT测试中，机械四连杆假肢膝关节双侧单支撑期时间、双支撑期时间、步态周期最长，健侧摆动期比例、步速、步行距离、步频最低；液压单轴假肢膝关节健侧单支撑期时间最短、步速最快、跨步长及步行距离最长；智能假肢膝关节患侧单支撑期时间最短，双侧摆动期比例、步频最大。

静态站立平衡测试中，四种假肢膝关节各项参数差异并不明显。

室外1000米步行测试中，智能假肢膝关节用时最短且总能量消耗最低。上楼梯阶段，气压四连杆假肢膝关节能量消耗最低、液压单轴假肢膝关节最高；下楼梯阶段，气压四连杆假肢膝关节最高，智能假肢膝关节最低；上坡及下坡阶段，机械四连杆假肢膝关节关节最高，智能假肢膝关节最低；石子路阶段，智能及液压单轴假肢膝关节能量消耗低于机械四连杆和气压四连杆假肢膝关节。见表1。

3 讨论

本研究使用IDEEA定量评价单侧大腿截肢者穿戴四种不同假肢膝关节的步行能力。IDEEA是一种基于加速度传感器的智能设备，能够测量截肢者在步行过程中的加速度，通过专用的软件进行处理分析，可以计算得出客观、可靠的步态参数数据及能量消耗数据。IDEEA具有体积小、重量轻、测试时间长、对受试者干扰程度小、操作简便、数据处理准确等特点。在能量消耗测量方面，与双标水法和间接热量测定法有很强的相关性，已在临床多个领域得到广泛的应用[9]。

表1 穿戴四种假肢膝关节测试结果比较

膝关节是大腿假肢最重要的功能部件。高性能的大腿假肢膝关节可以保证患者在支撑期的稳定性和摆动期的灵活性[10]，改善截肢者的步行功能。智能控制假肢膝关节与传统的气压、液压控制假肢膝关节相比，可以自动识别截肢者步行的速度、道路情况等信息，通过微电脑动态调整支撑期和摆动器膝关节阻尼大小来适应步行速度、关节角度、道路情况的变化[11]，同时智能假肢膝关节内的力矩传感器可以识别摆动初期，减少膝关节阻尼，帮助小腿加速摆动及膝关节屈曲[12]，使截肢者的步态更接近正常人，降低步行过程的能量消耗，提高截肢者的步行能力[13]。对于大腿截肢者来说，适合的假肢膝关节有助于改善截肢者的步行功能。

本研究通过对单侧大腿截肢者进行TUGT、6MWT、静态站立平衡测试和室外1000米步行测试，利用室内步行能力测试及室外复杂路面步行能力测试，模拟截肢者日常生活中的家庭性行走和社区性行走条件，评估步态参数数据、平衡参数数据、能量消耗参数数据，对单侧大腿截肢者穿戴四种不同类型假肢膝关节的步行能力进行定量评价研究，分析不同假肢膝关节对单侧大腿截肢者步行能力的影响。

TUGT中，穿戴智能及液压单轴假肢膝关节较穿戴机械、气压四连杆假肢膝关节平均时间少，可能是由于智能、液压单轴假肢膝关节在截肢者起立时，有良好的助伸功能，可以帮助受试者更快速、安全地由坐位转换至站立位，并能减少步行过程中摆动期时间，提高步行速度。

6MWT中，单支撑期占步态周期百分比、双支撑期占步态周期百分比反映受试者在步行过程中的稳定性大小，单支撑期比值增大表明稳定性提高，双支撑期比值增大表明稳定性减少[14]。受试者穿戴智能假肢膝关节单支撑期时间占步态周期百分比、双支撑期时间占步态周期百分比均较机械四连杆、气压控制四连杆关节明显降低，与液压单轴膝关节差别不大，提示智能、液压单轴膝关节在步行稳定性上较另两种关节稍差，但在保证截肢者步行基本稳定性的前提下，可以达到更高的步行速度，完成更长距离的行走。由于智能假肢膝关节通过微电脑可动态调整膝关节阻尼大小来适应步行速度变化，因此在步态对称性上表现更好。

静态站立平衡测试中，受试者穿戴四种不同假肢膝关节在重心轨迹面积、重心轨迹长度、X最大偏移量及Y最大偏移量上无明显差别。这可能是由于良好的假肢对线，使四种膝关节在静态站立时均能给受试者提供站立稳定保障。

能量消耗是评价单侧大腿截肢者步行能力的重要指标之一，不符合人体生物力学原理的假肢膝关节会使大腿截肢者在步行时更容易产生疲劳，从而导致步行能力的降低[15]。在室外1000 m步行测试中，智能假肢膝关节较机械四连杆假肢膝关节能量消耗降低20.5%，较气压控制四连杆假肢膝关节降低18.5%，与液压单轴膝关节无明显差别。在完成时间上，穿戴智能假肢膝关节较机械四连杆假肢膝关节时间少33.3%，较气压控制四连杆假肢膝关节少30.7%，较液压单轴假肢膝关节少10.4%。由此可见，智能假肢膝关节在室外复杂路面测试中，各项参数明显优于另外三种假肢膝关节。主要由于智能假肢膝关节可以根据路面情况及截肢者自身步行速度的变化进行动态调整，在保证受试者步行稳定的前提下，可以达到相对较快的步行速度。在经过复杂路面时，截肢者本能选择降低步速，提高稳定性的步态模式，引起能量消耗的增大。在上楼梯及上坡短距离测试中，液压控制假肢膝关节和智能假肢膝关节能量消耗较机械四连杆和气压四连杆假肢膝关节增高，可能是由于液压缸的存在，与另两种膝关节相比要重1倍甚至更多(如本研究中受试者使用的四连杆膝关节质量约445 g，液压控制膝关节质量约1225 g)，这会导致步行时的患侧负担加重，引起能量消耗增高。

由此看出，穿戴智能假肢膝关节可以帮助截肢者提高步行能力水平，符合智能假肢膝关节设计和制造的初衷。在有经济能力的前提下，在大腿假肢装配时可优先考虑。

其他三种假肢膝关节相比，受试者长期穿戴的液压单轴假肢膝关节和智能假肢膝关节测试结果比较相似，液压单轴假肢膝关节在平路行走时效果更好，而智能假肢膝关节在室外复杂路面行走时适应能力更强。

由于液压单轴假肢膝关节存在液压控制装置，可以产生与肌力相似的非线性阻力，可以更有效控制假肢膝关节在摆动期的运动，与机械四连杆和气压四连杆假肢膝关节相比，在保证安全性和稳定性的同时，可以达到更高的步行速度、更长的步行距离，提高运动效率，降低步行的能量消耗；但与智能假肢膝关节相比，液压单轴假肢膝关节无法根据路面情况实时改变阻尼大小，在一定程度上限制步行的速度，增大了能量消耗，液压假肢膝关节适合有一定活动量的大腿截肢者装配。

穿戴机械四连杆膝关节与气压四连杆假肢膝关节有良好的静态站立稳定性，但在步行过程中由于连杆机构特性，支撑期时间较长、摆动期时间较短，步速、步行距离及能量消耗较液压单轴、智能假肢膝关节有一定差距，适合活动量小或年龄较大对稳定性要求高的大腿截肢者装配。

本研究中受试者人数有限，穿戴假肢膝关节适应时间相对较短，相关结果还需今后进一步验证。

[1]刁子龙,曹学军,杨平,等.单侧大腿截肢者步行能力研究[J].中国康复理论与实践,2015,21(4)：470-474.

[2]Yen JW,Hill JJ,Lee MY.Revisiting the use of the amputee mobility predictor in clinical practice[J].PM R,2013,5(9)：S158.

[3]Datta D,Heller B,Howitt J.A comparative evaluation of oxygen consumption and gait pattern in amputees using Intelligent Prostheses and conventionally damped knee swing-phase control[J].Clin Rehabil,2005,19(4)：398-403.

[4]Creylman V,Knippels I,Janssen P,et al.Assessment of transfemoral amputees using a passive microprocessor-controlled knee versus an active powered microprocessor-controlled knee for level walking[J].Biomed Eng Online,2016,15(S3)：53-63.

[5]Kaufman KR,Frittoli S,Frigo CA.Gait asymmetry of transfemoral amputees using mechanical and microprocessor-controlled prosthetic knees[J].Clin Biomech(Bristol,Avon),2012,27(5)：460-465.

[6]王振平,喻洪流,杜妍辰,等.假肢智能膝关节的研究现状和发展趋势[J].生物医学工程学进展,2015,36(3)：159-163.

[7]Lythgo N,Marmaras B,Connor H.Physical function,gait,and dynamic balance of transfemoral amputees using two mechanical passive prosthetic knee devices[J].Arch Phys Med Rehabil,2010,91(10)：1565-1570.

[8]Uchytil J,Jandacka D,Zahradnik D,et al.Temporal-spatial parameters of gait in transfemoral amputees：Comparison of bionic and mechanically passive knee joints[J].Prosthet Orthot Int,2014,38(3)：199-203.

[9]Jiang Y,Larson JL.IDEEA activity monitor：validity of activity recognition for lying,reclining,sitting and standing[J].Front Med,2013,7(1)：126-131.

[10]刘娜,刁兴建.假肢膝关节概述[J].中国矫形外科杂志,2006,14(3)：225-226.

[11]Schmalz T,Blumentritt S,Jarasch R.Energy expenditure and biomechanical characteristics of lower limb amputee gait：the influence of prosthetic alignment and different prosthetic components[J].Gait Posture,2002,16(16)：255-263.

[12]Highsmith MJ,Kahle JT,Bongiorni DR,et al.Safety,energy efficiency,and cost efficacy of the C-Leg for transfemoral amputees：A review of the literature[J].Prosthet Orthot Int,2010,34(4)：362-377.

[13]王人成,沈强,金德闻.假肢智能膝关节研究进展[J].中国康复医学杂志,2007,22(12)：1093-1094.

[14]张昊华,闫松华,方沉,等.用便携式步态分析仪评估全髋关节置换术手术效果[J].医用生物力学,2015,30(4)：361-366.

[15]Sagawa Y Jr,Turcot K,Armand S,et al.Biomechanics and physiological parameters during gait in lower-limb amputees：a systematic review[J].Gait Posture,2011,33(4)：511-526.

WalkingAbility of an Unilateral TransfemoralAmputee with Four Kinds of Prosthetic Knee Joints

DIAO Zi-long1,2,CAO Xue-jun2,3,WEI Yan-qin2,MA Xin-xin1
1.Beijing Rehabilitation Hospital,Capital Medical University,Beijing 100144,China;2.Capital Medical University School of Rehabilitation Medicine,Beijing 100068,China;3.Institute of Rehabilitation Engineering,China Rehabilitation Research Center,Beijing 100068,China

Objective To compare the walking abilities of an unilateral transfemoral amputee with four different prosthetic knee joints,to provide a reference for clinical prosthetic prescription.Methods An unilateral transfemoral amputee was asked to wear four kinds of prosthetic knee joints,mechanical four-bar,pneumatic four-bar,hydraulic and intelligent prosthetic knee joints,and evaluated with Timed Up and Go Test,indoor 6-Minute Walk Test,Static Stand Balance Test and a 1000-meter Outdoor Walking Ability Test,wearing Intelligent Device for Energy Expenditure and Activity.Results The amputee consumed the least energy and walked the fastest with intelligent prosthetic knee joint.Conclusion There are some difference in walking ability with different prosthetic knee joints.

transfemoral amputee;prosthesis;walking ability;prosthetic knee joint;assessment

CAO Xue-jun.E-mail：zkba@sina.com

R496

A

1006-9771(2017)10-1216-05

10.3969/j.issn.1006-9771.2017.10.019

[本文著录格式] 刁子龙，曹学军，魏艳琴，等.1例单侧大腿截肢者穿戴四种假肢膝关节步行能力的评价[J].中国康复理论与实践,2017,23(10)：1216-1220.

CITED AS：Diao ZL,Cao XJ,Wei YQ,et al.Walking ability of an unilateral transfemoral amputee with four kinds of prosthetic knee joints[J].Zhongguo Kangfu Lilun Yu Shijian,2017,23(10)：1216-1220.

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目(No.2015CZ-19)。

1.首都医科大学附属北京康复医院，北京市100144；2.首都医科大学康复医学院，北京市100068；3.中国康复研究中心康复工程研究所，北京市100068。作者简介：刁子龙(1990-)，男，汉族，北京市人，硕士，主要研究方向：康复工程。通讯作者：曹学军(1961-)，男，汉族，上海市人，硕士，研究员，副教授，主要研究方向：康复工程。E-mail：zkba@sina.com。

2015-12-02

2017-04-05)