客观日本

超轻复健用具: 安装弹簧-凸轮机构即可帮助膝盖轻松弯曲,预防跌倒!

2020年07月28日 机械/机器人

在中风引起的运动障碍患者中,有15~30%会出现永久性运动障碍为重返社会,需要进行康复训练。尤其是关系到基本移动能力的行走康复,可以直接提高“生活质量(Quality of Life:QOL)”,成为很多患者的迫切需要,是一项具有重要的社会意义和影响的研究课题。

日本东北大学医学系研究科非常勤讲师关口雄介和该校工学研究科的大胁大副教授,与NEC的野崎岳夫和福司谦一郎研究员等人组成的医工学及产学合作研究团队,开发了不使用马达,仅采用简单的弹簧与凸轮机构的超轻量行走辅助装置。以11名中风偏瘫患者为对象实施的临床实验确认,不仅在行走过程中能够辅助迈步,还具有帮助迈腿膝盖弯曲的作用。该作用被认为有助于减少患者在行走过程中被自己绊倒。

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图A:新开发的安装了弹簧-凸轮机构的装置(照片为右腿用)。原装置为480g,而研究团队开发的辅助附件仅为65g,重量超轻且不使用马达。可利用中下部的螺丝(不接触地面),根据个人的足力进行调节。

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图B:迈步辅助作用的机制。脚踝背屈时,弹簧在凸轮机构的作用下移位,从而在迈步方向产生力矩(旋转力)。

【研究背景】

主要由中风引起的运动障碍患者(偏瘫患者)在行走康复训练中需要克服的一个课题是行走速度缓慢。其主要原因被认为是,脚踝的跖屈功能减弱造成立足期(步行中脚接触地面的期间)后期无法充分向前迈步。目前广泛使用的行走康复训练用具(踝足矫形器:Ankle Foot Orthosis)并没有重量较轻,而且能辅助立足期向前迈步的产品。

【研究内容】

此次,研究团队开发出了可轻松安装到现有AFO(Gait Solution; Pacific Supply Co. Ltd. Japan)上的迈步辅助装置(图A)。为利用简单轻量的机构辅助迈步,采用了弹簧-凸轮机构。凸轮形状会随着脚踝背屈而发生变化,弹簧随之移位,积累弹性能量。然后通过能量再生,在立足期后期辅助脚踝关节向前迈步(跖屈力矩,图B)。

为验证该用具的效果,研究团队以11名中风偏瘫患者为对象,在东北大学医院康复科利用三维动作解析装置和地面反作用力测量装置,并对行走过程中的运动学和动力学进行了解析。

视频:youtu.be/K1le_Mhp0vo

【成果】

解析确认,利用现有的AFO时,立足期后期脚踝生成的跖屈最大功率减小,而安上此次开发的用具后,抑制了这种减小,也就是说,可以辅助迈步。另外,作为次要作用还确认到,抬腿迈步时能增加偏瘫侧的膝关节弯曲程度。

偏瘫患者在行走过程中抬腿迈步时膝关节无法充分弯曲会带来多种问题。首先,因膝关节无法充分弯曲,抬腿迈步时脚尖难以充分离开地面,因此容易绊倒或跌倒。其次,为避免跌倒,会出现“画圈行走”步态,成为偏瘫患者走路的特征。这种画圈行走的步态会导致行走能量效率差以及姿势不美观等,成为患者坚持行走康复训练的巨大精神障碍,这也是偏瘫患者难以坚持做行走康复训练的原因之一。

此次开发的用具不仅能辅助迈步,还可以增加膝关节弯曲,能预防患者被自己绊倒,抑制画圈行走步态,有望实现新的康复效果。

【发表论文名称】
题目:Ankle–foot orthosis with dorsiflexion resistance using spring-cam mechanism increases knee flexion in the swing phase during walking in stroke patients withhemiplegia
期刊:Gait & Posture
DOI:10.1016/j.gaitpost.2020.06.029

日语发布原文

文:JST客观日本编辑部

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