小腿假肢接受腔-内衬套-残肢界面接触力学与摩擦行为研究

摘要

小腿假肢对截肢患者而言是其恢复行走功能、补全形体和增强回归社会信心的重要工具。良好的假肢不仅应补偿截肢患者的运动功能，还应满足与患者残肢之间良好的适配性，而小腿假肢的适配性主要由接受腔-内衬套-残肢之间的交互行为决定。只有接受腔与残肢间的压力分布以及接受腔与内衬套之间的摩擦系数合理，才能保证患者佩戴过程的舒适和安全。然而，国内外在接受腔与残肢接触界面的压力分布研究方面主要集中在模拟仿真，临床研究较少；而接受腔与内衬套的摩擦特性方面的研究极少。因此，研究小腿假肢接受腔与残肢界面的临床压力分布以及接受腔与内衬套界面的摩擦行为可为假肢接受腔的修型优化、假肢接受腔/内衬套材料的表面设计提供重要的理论依据和参考价值。　　本论文中，首先使用多通道压力采集系统对一名小腿截肢志愿者在静态坐姿、静态站姿、平地直行、坡道上行、坡道下行、楼梯上行和楼梯下行等不同典型运动模式下接受腔与残肢间的压力值进行了实时采集，分析了该志愿者在不同运动模式下的压力分布规律，并提出了基于皮肤承载阈值的接受腔修型思路。其次，利用多功能摩擦磨损试验机、激光共聚焦扫描显微镜和红外热像仪研究了四种接受腔材料(三种3D打印接受腔材料和一种传统手工制作的丙烯酸树脂材料)与三种常用内衬套(两种泡沫内衬套和一种硅胶内衬套)材料的往复摩擦行为，并结合摩擦能量损耗及内衬套材料压缩内耗能方法分析了接受腔-内衬套界面摩擦行为的影响因素。主要研究工作和结论如下：　　1.不同运动模式下志愿者残肢各承载点的应力分布不同。志愿者的胫骨脊区域应力过大是其佩戴假肢时胫骨脊区域皮肤疼痛的主要原因。由于该志愿者的接受腔形状存在问题，其胫骨两侧应力分布不均，并且胫骨外侧、内侧区域的应力分布均呈现出残肢末端的应力值较大的现象，造成应力分布不合理。胫骨背面的测力点位呈现出从腘窝处往残肢末端最大应力值逐渐减小的趋势。针对该接受腔应力分布不合理的承载点，提出基于残肢皮肤的承载阈值，在接受腔相应承载区域通过向外膨胀或向内压缩的方法进行接受腔修型优化的思路。　　2.假肢接受腔和内衬套材料界面间的摩擦系数以及一个循环往复摩擦周期内的能量损耗取决于接受腔材料的表面粗糙度。与传统手工制作的丙烯酸树脂接受腔材料相比，三种采用SLS工艺3D打印的接受腔具有较高的表面粗糙度，致使接受腔-内衬套界面的摩擦系数和能量损耗较大。此外，由于传统手工制作的丙烯酸树脂接受腔材料的表面相对较光滑，减轻了在高载荷工况下泡沫内衬套表面的磨损。　　3.假肢内衬套材料的压缩变形刚度和压缩内耗能在假肢接受腔-内衬套材料界面的摩擦特性中起着重要作用。与泡沫内衬套材料相比，硅胶内衬套材料具有压缩变形刚度低、内耗能高的特点，降低了与接受腔界面往复摩擦时的摩擦系数、能量损耗和摩擦温升值。

目录

声明

第1 章绪 论

1.1小腿假肢选题背景及研究意义

1.2小腿假肢系统简介

1.3小腿假肢的发展历史及趋势

1.4小腿假肢接受腔-内衬套-残肢的界面力学行为研究现状

1.4.1小腿假肢接受腔-内衬套-残肢界面压力的研究现状

1.4.2小腿假肢接受腔-内衬套-残肢界面摩擦行为的研究现状

1.5 论文研究内容

1.6 本章小结

第2 章试验方法及材料

2.1小腿假肢接受腔-内衬套-残肢端的力学分析

2.2接受腔-残肢界面压力测试系统

2.2.1薄膜压力传感器的选择与原理

2.2.2薄膜压力传感器的校准

2.3表面分析及力学测试设备

2.3.1激光共聚焦扫描显微镜

2.3.2 UMT-TriboLab摩擦磨损试验机

2.3.3微机控制电子万能材料试验机

2.4假肢摩擦试验材料

2.4.1接受腔材料

2.4.2内衬套材料

2.5定积分求能量损耗的方法

2.6本章小结

第3 章假肢接受腔-残肢界面接触力学行为的个案研究

3.1试验简介

3.1.1试验志愿者情况

3.1.2 试验动作模式及环境

3.1.3 试验参数介绍

3.2接受腔与残肢在不同运动模式下的应力分布

3.2.1静态坐姿

3.2.2静态站姿

3.2.3平地直行

3.2.4坡道上行

3.2.5坡道下行

3.2.6楼梯上行

3.2.7楼梯下行

3.3接受腔与残肢界面应力分布分析和接受腔修型方法

3.4本章小结

第4 章假肢接受腔与内衬套材料的摩擦行为研究

4.1试验简介

4.1.1接受腔/内衬套材料往复摩擦试验

4.1.2 内衬套材料的压缩性能测试

4.1.3 统计学分析

4.2试验结果

4.2.1假肢接受腔与内衬套的表面特性

4.2.2不同假肢材料的摩擦系数

4.2.3摩擦能量损耗

4.2.4假肢接受腔/内衬套摩擦区域温升情况

4.2.5假肢内衬套材料的刚度

4.3试验结果分析

4.4本章小结

结论与展望

主要结论

研究展望

致 谢

参考文献

附录1

攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目