步行器助行步态稳定性监测系统研究

　　1　引　　言

　　步行器是用于临床康复的一种相对比较简单的助行装置,可提供患者外在的机械支持和减少下肢的荷重。我国每年究竟有多少步行器使用者,现在尚缺乏确切的统计。而有关调查显示,美国的步行器使用者在20世纪90年代初就已超过170万人,且每年平均有近两万件的外伤事故涉及到步行器的使用,其中最常见的损伤就是髋骨骨折和上肢损伤[1]。

　　目前国内外对于有关步行器使用的步态稳定性监测研究开展得尚十分有限。了解步行器助行过程中的步态稳定性状况,尤其是实时鉴别使用者在其步态周期不同阶段的稳定性需求,可以验证和疲劳有关的失稳危险区间,量化行走质量,并在步态训练和日常生活中减少步行器使用风险[2]。另外,由于使用者存在的不同步态畸形(例如胫腓骨骨折,截肢手术,轻偏瘫,偏瘫和脑瘫)会导致不同的步行器使用模式,因此需要稳定性研究有针对性地加以甄别,以了解使用者的不同需求,并在步行器的结构设计中给予考虑[3]。

　　文中设计开发出了一套专门针对步行器助行的步态稳定性监测系统,可以在使用者正常的行走训练过程中,实时采集上肢支撑力的动态变化情况并将其转化为步行器倾翻指数(walker rolling index,WRI)曲线图显示,对相关步行器助行的步态稳定性进行在线监测。该研究有望对未来临床康复中的步态训练和步行器的生物力学再设计起到有益的帮助。

　　2　原　　理

　　步行器倾翻指数(WRI)是利用行走过程中使用者施加在步行器手柄上的三维力来计算步行器倾翻趋势的大小,这种趋势可以表征使用者行走过程中的稳定性。WRI值越小/大,行走稳定性越好/差。根据对步行器使用的相关力学分析[4],步行器倾翻的趋势依赖于行走时下压力Fp和倾翻力Fr对预期倾翻轴的力矩之比,故有:

　　步行器助行过程中,依靠测力装置所获得的双手三维支撑力变化结合上述WRI定义公式,就可以描述出表征动态行走稳定性的WRI曲线图。WRI曲线图是从复杂的三维上肢力变化中推导出行走稳定性的变化,从而直观、定量地显示出行走过程中不稳定点或不稳定区域,并对其进行准确的时间定位。另外,不稳定点或者不稳定区域的方向性也可以通过WRI曲线图来指示出。在纵向WRI曲线图中,正值表征的是前向的倾翻趋势,负值表征的是后向的倾翻趋势;在侧向WRI曲线图中,正值表征的是左向的倾翻趋势,负值表征的是右向的倾翻趋势。这样,针对出现这些不稳定状况的步态阶段和具体的倾倒方向,下一步就可以通过有目的性地指导步行器的使用和训练来改善行走质量。

　　3　系统设计