第一代的 Stanford Jaipur Knee,義肢膝關節。

第一代的 Stanford Jaipur Knee,義肢膝關節。Credit: [email protected] CC BY 2.0

義肢vs步態

人體的步態,是一門專業,看似簡單的走路,全部過程和行走時的整體平衡相關,所以我們才能平順、穩定地持續行走。那麼如果不幸截肢,現在已經有相當精緻,價格高達兩萬五千美元的義肢,在穿上後,能讓患者完整呈現出原來的步態。這可歸功於輕質舒適的材料、機械控制技術和步態分析的整合發展,我們不難見到高單價的下肢義肢,裝有陀螺儀、加速度規,甚至還有液壓和碳纖維材料的關節設計;另外也有經過3D掃描,逆向複製出患者健全下肢的外型圖檔(CAD),再做鏡像處理,並製作出擬真的外型皮膚。然而,以上這些豪華級的醫療方案,在每天每人收入不到五美元的開發中國家,是不可能的事情。

簡單設計的膝關節

如果先不考慮使用電子電機設備,也不採用液壓裝置和高價複合材料。那麼,要如何只用簡單的設計,既可降低成本,又能達到擬真步態的效果,還可耐久使用且簡單維護,成為設計這種義肢的主要課題。而整支義肢的設計,又以膝關節為首要關鍵,因為人類行走時,膝關節的轉動牽動著行走時的力學平衡,而如果只是單軸旋轉的膝關節,在實際使用上有不易平衡的問題。

彈簧和阻尼器

美國「麻州理工學院」(MIT)的工程師,以假設人體軀幹、大腿、小腿、腳為四個部分,分析二維的模擬步態行走時的力學行為,並以質量較輕的材料參數代入模型,計算出股骨關節和膝蓋的「力矩」(torque),根據這些數據,開發了一款只需要一根「彈簧」(spring)和兩個「阻尼器」(damper)的膝關節(點這裡看圖片),彈簧用來在行走時,腳離地後讓小腿往前彎,而兩個阻尼器的作用如同煞車的功能,一個用來防止回彈,另一個則用來緩和向前的動作。這個簡單的設計只在模擬和真實膝蓋一樣能產生真實的步態,讓患者能夠很順的走路。由於這個膝關節的設計,預計在開發中國家使用,樣品已送至印度,正規劃讓截肢患者測試其性能與舒適度。

多軸設計

除了麻州理工學院,美國「史丹佛大學」(Standford University)也在四年前和位於加州舊金山的「D-Rev」公司合作,開發了一款人工膝關節「Standford Jaipur Knee」,第一代設計的產品只要$20美元,為了增加穩定性,使用多軸設計,輕量材質。這樣的親民價格,也是希望能在印度等開發中國家使用。目前這款設計已經過幾代的發展,不但減低了噪音(使用者一定不喜歡人未到、聲先到吧,走路時老是發出咿咿歪歪的怪聲會讓使用者很尷尬),原本方正剛硬的外型也變得更加圓滑,售價約$80美元。

純機械設計

相較動輒要數萬美金的電動膝關節,不需要軟體與伺服馬達控制的單純機械設計,若能做到和真實步態效果相同,則顯得更為可靠、耐用、低成本,且使用普及率應該會高得多。在開發中國家,這種簡單設計的產品,對截肢患者相當有幫助,而不再視好用的義肢為遙不可及的夢想。

文章參考:D-Rev, MIT News
影片來源:D-Rev
圖片來源:USAID_IMAGES@Flickr  CC BY 2.0
原文參考:IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering



作者簡介

BioMeder

生醫人網摘的編輯。熱愛創新和用腦袋的事物,堅持文章一定要有邏輯性,藉由追蹤報導生醫領域的創新和應用來傳播知識。