单自由度肌电手与前臂真肢对比分析指导前臂截肢患者康复训练的研究

摘要

残疾人作为社会中存在的特殊人群，他们的生存质量问题一直受到社会各界的关注，因部分或全部丧失了某种活动能力，身体方面的缺失给他们的生活、学习、工作等带来各种困难，并且随之引发各种心理、生理上的障碍。而由于车祸等原因造成的残疾患者中截肢的人数每年呈现递增趋势，其中约有400万人为前臂截肢。手作为人类最灵活的运动器官之一，对于前臂截肢患者而言，手部功能的缺失不仅会严重影响了患者的日常生活质量，而且会产生较大的心理创伤。为了使肢体残疾人士能够更好的融入社会，安装假肢是帮助他们补偿运动功能最有效的途径。其中，肌电假肢手以其控制灵活、使用方便以及直感性强的特点，成为现代上肢假肢中研究和使用最广泛的一种。肌电假手研究亦是康复医学工程领域的热点课题之一，不断完善肌电假手的研究对提高肢体残疾人生活质量和促进残疾人康复事业的发展都有十分重要的意义。肌电手按照其可控动作的种类，又分为单自由度肌电手和多自由度肌电手，目前国内已实用化的肌电手为单自由度、两自由度的前臂肌电手和两自由度、三自由度的上臂肌电手，其中单自由度前臂肌电手操作简便、价格相对低、技术成熟，市场占有率较高。常用的前臂肌电假手多为单自由度肌电手，其指的是用一对电极控制手指开闭一种动作，即利用肌电信号控制手指的开闭，并且利用机械装置被动地进行旋腕、屈腕的前臂假肢，其操作简单、易于制作。研究显示前臂截肢患者使用单自由度肌电手比例达到89％，相比于多自由度肌电手占绝对数量。目前如何使假肢能够更好地替代残缺肢体的功能面临诸多问题，例如，患者截肢水平和位置如何选择，残端如何正确处理;如何选配合适的假肢;为防止患者畸形的发生，术后如何进行功能锻炼指导;如何指导患者正确使用和维护假肢;如何有效疏导患者心理，做好心理辅导，快速回归社会。初期佩戴前臂假肢患者因长时间肌电控制假肢，易神经疲劳，加之外部电场干扰，可致肌电手输出和反馈控制信息重复再现性差、不稳定，导致患者脑运动区发出控制截肢端肌群的募集信息出现错误。同时，迄今为止尚未通过对前臂真肢和肌电手生物力学差异性进行分析制订符合前臂截肢患者佩戴肌电手康复训练的优化方案。基于目前假肢抓握速度控制不足，一些截肢者宁愿使用绳索牵拉假手而不愿用肌电假手。由此可见，为使患者更好的利用肌电手，如何增加肌电假手的实用性和灵活性是目前亟待解决的问题。随着肌电手在前臂截肢患者临床使用日益广泛，迫切需要制订并完善符合前臂截肢患者佩戴肌电手康复训练方案，在患者使用过程中给予相应的指导，使假肢功能发挥到最大的效果。
　　目的：为最大程度增强截肢者生活的信心，恢复身心康复，重新回归社会，归纳总结实用性强的假肢装配及使用指南及研究前臂假肢与前臂真肢生物力学的差异，通过在假肢的选择和装配及正确使用等方面制订符合前臂截肢患者佩戴肌电手康复训练方案，在患者使用过程中给予相应的指导，使患者能将假肢功能发挥到最大效果。
　　方法：选取本院于2015年1月至2016年1月收治的年龄小于50岁，因严重外伤行前臂截肢手术后选择佩戴肌电手，同时已佩戴肌电手的时间不得少于1个月，基本熟悉肌电手使用，并且临床资料完整，自愿参与本研究并签订知情同意书的上肢前臂截肢患者30名作为研究对象，将其设为假肢组;同期选取30名上肢各关节健全，无心、肺、肝、肾等脏器或组织严重疾病和恶性肿瘤，无精神疾病或智力水平障碍，无抗抑郁或镇静类药物使用史且年龄不超过50岁的健康志愿者作为对照组。本实验综合本院肌电手基本使用情况选择单自由度肌电手做为实验材料。假肢组患者入组后由实验人员为其选择佩戴口大小合适的肌电手，并且培训患者充分理解假肢装配的使用要领，如注意双手的配合动作等。在实验过程中使用电子压力传感器测量数据，电子压力传感器由实验人员为研究对象贴敷于肌电手或手肘关节、腕关节壁，指关节外套指尖压力传感器。利用重物提拉实验，握力实验，拇指夹持实验等评估实验结果。两组研究对象进行重物提拉实验时，假肢组肌电手模仿人手静态提拉重物时平伸肌电手与地面平行，下端垂直连接尼龙带和重物砝码，依次增加砝码直到尼龙带滑脱;肌电手模仿人手动态提拉重物则依次使两组研究对象提取49N、98N和147N重物（1kg=9.8N，147N代表15kg重物、98N代表10kg重物、49N代表5kg重物），从自然垂臂至伸臂水平地面做动态提拉重物，计算运动时间。两组研究对象在实验人员指导下做握持柱状物进行握力实验，柱状物为直径4cm、8cm和10cm空心水管，通过指尖压力传感器检测肌电手或真手抓取水管时的握力，受试者均需要按照所有抓取模式顺序分别对力传感器进行10s的持续性施力，施力要兼顾大小(0-60N)与速度(0.5-2.0HZ)的要求，同时实验人员上提或下按被抓取水管，若水管无松动则判定为牢固握持柱状物。两组研究对象在实验人员指导下做拇指夹持压力实验时夹取物依次为1元硬币、玻璃球和铅笔，并依次模仿夹持饼状物、球状物和柱状物，通过指尖压力传感器测定真手或肌电手食指与拇指夹持压力。记录各项实验压力值，重复实验测量3次，结果取平均值（对照组对象均使用惯用手）。
　　结果：假肢组男17例，女13例，年龄20-47岁，平均年龄（38.6±7.2）岁，均为惯用手截肢，受伤至手术时间1-8h，平均（4.2±0.8）h;对照组男17例，女13例，年龄22～47岁，平均年龄（38.4±7.0）岁，两组对象除前臂截肢差异外，年龄、性别和学历水平等差异无统计学意义(P＞0.05)，具有可比性。重物提拉实验结果显示假肢组静态提拉重物掉落时间为126.73±20.21s，力量为204.31±52.65N，对照组静态提拉重物掉落时间120.35±19.87s，力量为172.02±34.76N，两组对象静态提拉重物掉落时间差异无统计学意义(P＞0.05)，而假肢组静态提拉重物力量显著高于对照组(P＜0.05);147N，98N，49N三种力量下的动态提拉重物实验结果显示假肢组各重物提拉时间分别为5.92±1.50s，7.49±1.48s，11.52±2.53s，显著低于对照组（提拉时间分别4.05±1.43s，6.05±1.31s，9.27±2.15s），差异有统计学意义(P＜0.05)。握力实验结果显示，假肢组拇指对各直径柱状物（直径分别为4cm、8cm、10cm）握力分别为42.17±5.33N，50.60±5.62N，72.48±6.12N，对照组握力分别为57.42±4.48N，64.60±5.87N，89.25±7.89N，假肢组对各直径柱状握力均小于对照组，且比较差异均具有统计学意义(P＜0.05)。拇指夹持实验结果显示假肢组1元硬币夹持力为12.74±4.18N、玻璃球夹持力为16.24±4.37N和铅笔夹持力10.21±3.41N，均小于对照组（1元硬币、玻璃球、铅笔夹持力依次为14.42±4.27N，18.17±4.72N，12.42±3.85N），且比较差异均具有统计学意义(P＜0.05)。
　　结论：在实验人员的培训下，假肢组患者均能熟练使用肌电手，按要求完成实验项目。两组对象静态提拉重物掉落时间差异无统计学意义，假肢组静态提拉重物力量显著高于对照组，动态提拉重物实验结果中假肢组各重物提拉时间显著低于对照组，结果表明单自由度肌电手在承重上优于前臂真肢，这可能因为肌电手属于机械驱动器具，制作材料为高聚酯化合物，具有较强强度，而在重物提拉时间上慢于前臂真肢，也反映出截肢端通过肌腱控制假肢信息输出效率明显低于大脑控制神经、肌肉、骨骼的效率，从而进一步证明生物体运动神经束对动作特征可产生清晰的控制信息，信噪比明显优于人工仿生信号。研究中，假肢组各直径柱状物握力均小于对照组，假肢组1元硬币、玻璃球和铅笔夹持力均小于对照组，究其原因可能是在于实验时截肢对象握柱状物和夹持物体时，采取提取矫正肌电手精度，同时患者操作肌电手时也采取提前预判动作完成，造成用力值低于真手操作。由此可见，单自由度肌电手承重性强于前臂真肢，而在灵活性和指尖用力精准性明显劣于真肢。肌电手在前臂截肢患者临床使用日益广泛，但仍需要在患者使用过程中从心理辅导，操作方式等方面给予除相应的指导，而进一步发展智能化多自由度肌电手的研究也可为截肢康复创造新希望。

目录

摘要

前言

1．截肢手术概述

2．假手存在的意义

3．假肢康复治疗中存在的问题

4．假肢技术研究进展

5．肌电假手的特点和缺陷

6．肌电假手如何辅助康复治疗

第二章 单自由度肌电手与前臂真肢对比分析实验

1．材料与方法

2．实验结果

3．实验结论

4．讨论

第三章 全文小结

参考文献

中英文缩略词对照表

在职硕士期间学术成果

致谢

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