一种诱导下肢截肢患者产生幻肢感的实验方法

摘要

建立了一种实验方法，用于在下肢截肢者中诱发绊倒。该方法的目的是制造意外的绊倒，以引发具有实际意义的绊倒/恢复反应。一名经胫骨截肢者的运动学数据证实，该方法能够有效诱发反应性绊倒恢复反应。

摘要

对于下肢截肢者而言，在绊倒后重新恢复平衡具有挑战性，且常常导致跌倒。绊倒后能否成功恢复平衡取决于多种因素，例如截肢部位（胫骨段或股骨段截肢）、发生绊倒的肢体（假肢侧或健全侧）以及步态中的位置（前导肢或后随肢）。理解恢复过程中的反应有助于识别防止绊倒演变为跌倒的策略，并为假肢设计提供可参考的绊倒响应功能。本研究提出了一种在截肢个体中诱发意外绊倒的实验方法。绊倒通过手动触发电磁装置实现，该装置会升起一根聚丙烯丝，在摆动相中期阻碍下肢的摆动动作（使其几乎停止）。实验中使用连接至天花板轨道的安全吊带，确保参与者在未能恢复平衡时不会接触地面（即防止跌倒发生）。一名胫骨段截肢者完成了多次行走试验，其中约每15次中会诱发一次绊倒，以避免参与者预判绊倒的发生。通过两部智能手机（60 Hz）结合OpenCap软件获取三维运动学数据，结果表明该实验方法能够诱发具有实际意义的绊倒及恢复反应，且反应特征取决于发生绊倒的肢体（假肢侧或健全侧）。该方法避免使用刚性障碍物，可能降低受伤风险，同时具备成本低、易于搭建的优点。更重要的是，该方法可在步态摆动相中期意外诱发绊倒，从而为识别真实世界中的绊倒恢复反应提供有效途径。当健全侧肢体发生绊倒时，参与者可通过踝关节跖屈动作在绊倒后“脱离”绊线；而当假肢侧肢体发生绊倒时，此类动作则无法实现。

引言

据估计，全球有5770万人生活在截肢状态下，其中约65%为下肢截肢¹。下肢截肢可能由多种因素引起（例如急性创伤事件、疾病进展、健康并发症、挽救生命的手术以及先天性畸形）。对于健康状况较差的个体，截肢与较高的死亡率和发病率相关²。此外，截肢后恢复行动能力对于重新获得独立生活能力和提高生活质量至关重要，也是假肢使用者面临的主要挑战之一³。

截肢后，活动能力受限常伴随关节活动范围减小⁴、肌力下降⁵、平衡信心减弱⁶，并可能导致非截肢侧肢体出现明显的关节退变⁷。这些变化被认为是重要的跌倒风险因素⁸。事实上，下肢假肢使用者的跌倒概率是普通人群的两倍⁹。约40%至80%的经胫骨和经股骨截肢者每年至少跌倒一次^9,10。跌倒最常发生在行走过程中^11,12，而行走能力有限的截肢者（按暴露程度校正后）跌倒的可能性高出六倍，受伤的可能性高出八倍¹¹。此外，在过去一年中曾发生过跌倒的下肢假肢使用者，再次跌倒的概率为13%；若在过去六个月内发生过两次跌倒，再次跌倒的概率则上升至28%¹³。因此，跌倒是下肢截肢患者面临的一个令人担忧的问题。

行走时绊倒是假肢使用者跌倒的主要因素。当发生绊倒时，摆动肢体的运动突然受到阻碍（例如由于障碍物或不平整的地面），导致身体以支撑肢体为支点快速向前旋转，并产生较大的前向冲力^14,15。由于缺乏踝关节或膝关节、相关肌肉组织以及感觉反馈减弱，假肢使用者在绊倒后维持或恢复平衡可能要困难得多。对踉跄做出无效反应可能导致其发展为跌倒，进而引发严重的身体、心理和社会后果¹⁶。

多项研究通过在实验室受控环境下诱发绊倒，重点描述了健康成年人及老年人的绊倒恢复策略^17,18,19,20。已有多种方法被用于制造干扰以引发绊倒。施加绊倒干扰的方式有很多，包括在下肢摆动相期间使用绑在踝部的绳索阻碍肢体运动²¹，或在 treadmill 上行走的人前方意外放置障碍物^20,22。此外，一些研究通过突然改变 treadmill 的速度来干扰动态平衡（即诱发踉跄）²³。最后，还有研究在地面行走过程中，使用手动^18,24,25或自动装置^22,26将刚性物体置于摆动肢体的行进路径上，以引发绊倒事件。

尽管这些策略在老年人群中已成功应用，但目前仅有少数研究在下肢截肢者中诱发了绊倒，其中涉及股骨上截肢（TFA）者的研究更少^21,25,26。例如，Crenshaw 及其同事在TFA受试者进行地面行走时，使用一个隐藏的刚性障碍物手动触发从地面突然弹出，从而诱发绊倒。然而，这种引入障碍物的方式在技术上要求较高，因此复制成本较高。Shirota 及其同事则通过在踝关节处连接绳索，在受试者于跑步机上行走时诱发绊倒。尽管成功引发了绊倒，但使用绳索可能限制了实验的自然性，因为它很可能妨碍了受试者正常行走²¹。最近，Eveld 及其同事采用集成定位算法，在跑步机传送带上放置钢块，使障碍物可在摆动相的不同阶段（早期、中期、晚期摆动）引发干扰，从而在TFA受试者中诱发绊倒²⁶。然而，基于跑步机的实验方案可能无法完全复现地面行走时的真实条件²⁷。此外，当研究使用微处理器控制的足踝或膝关节装置的经胫骨截肢（TTA）或股骨上截肢（TFA）受试者时，基于跑步机的方案也不理想，因为这类装置中所用的自动传感器通常设定用于在固定/静止表面上行走。因此，在非静止表面上行走时，这些传感器可能会触发装置的液压缸进行“自我调节”，导致阻力调节至不正确的水平。

在以往诱导受试者在地面行走过程中发生绊倒的研究中，绊倒扰动是由前行下肢接触到前方突然出现的固体障碍物所引起的。然而，使用此类刚性物体可能因冲击力而导致足部受伤²⁵。本文描述了一种避免足部撞击固体物体的实验性绊倒方法。该绊倒机制由一个电磁系统构成，用于控制一个可移动的弹簧驱动板的释放。当电磁装置关闭时，位于步道一侧的弹簧驱动板被向上拉动，从而抬升一根垂直于行走方向的聚丙烯丝（直径4 mm）。该丝线固定在步道的另一侧，被抬升至0.1 m的高度。在步道上还设置有多根虚拟丝线（3至4根，间距至少1 m），以防止受试者预判哪一根丝线将引发扰动。实验人员在摆动下肢刚刚完成趾离地（toe-off）且对侧下肢已着地并略微位于丝线前方时，手动关闭电磁装置。因此，当丝线被抬升时，摆动下肢总是在中摆相（mid-swing phase）被一致地绊住²⁸。选择中摆相是因为在此阶段，摆动足的水平速度接近其最大值（约为质心前向速度的3倍），且距地面的 Clearance 处于最低点，因此该阶段在现实生活中最易发生绊倒事件。丝线的高度（即0.1 m）足以确保足部（通常在鞋带区域附近）被稳定绊住。本研究旨在验证所提出的实验方案是否能够成功制造绊倒扰动，并诱发具有实际意义或接近真实生活情境的恢复反应。在当前方案中仅分析了经胫骨截肢者（TTA），因为更高位的截肢代表更复杂的临床情况，且跌倒发生率更高。

方案

该大学伦理委员会已批准相关程序，参与者在参加前签署了知情同意书。

1. 受试者

注意：一名参加当地截肢者康复中心的经胫骨（TTA）截肢者受邀并同意参与本研究。该受试者能够独立行走。排除标准包括除截肢外可能影响平衡和活动能力的临床状况（例如神经、骨科或风湿性疾病）；持续性疼痛、幻肢痛或假肢肢体上的压疮；以及理解简单指令存在困难（即简易精神状态检查得分低于24分²⁹）。此外，该受试者使用当前假肢已有六年以上经验。

1. 假肢详情
   1. 向经股截肢受试者（TTA）索取假肢的具体信息。记录受试者使用该假肢的经验情况。确保受试者具备较高的使用假肢行走能力。
      ​注：该受试者使用一种假肢，包括硅胶吸附式接受腔（带五个密封环的硅胶衬垫）和碳纤维假脚（材料表）。使用当前假肢已有六年经验。截肢原因为外伤，根据美国医疗保险功能分级标准³⁰，该受试者被归类为K4级。根据标准化功能分级，该受试者使用假肢行走能力较高，属于年轻活跃成人³¹。

2. 实验步骤

1. 设计一个诱发跌倒的系统。
   1. 构建一个定制装置，该装置通过电子方式释放弹簧，以抬升聚丙烯丝（直径为4 mm，质量可忽略），在摆动中期钩住后肢（正常肢体或假肢）。
   2. 将系统连接至一个木箱，该木箱允许一个杠杆（长约10 cm）围绕固定轴向上旋转。将聚丙烯线连接至杠杆末端（远离转轴的一端）。安装一根弹簧，作用于杠杆，使聚丙烯线被抬升至离地面约10 cm的高度。
      注意： 视频 1 显示触发系统以及导线的布置方式以实现触发（补充图1 和 补充图2).
2. 安全带系统
   注意：在参与者行走时诱发绊倒情况需采取相应的安全措施。
   1. 确保受试者穿戴全身安全带，并通过聚酯绳连接到头顶的轨道上。
   2. 根据参与者的身高调整安全绳的长度。
      注意：安全绳（直径为11 mm）连接至一个特制的四轮装置，该装置位于头顶轨道内（距参与者头部约2米高处）。将安全绳根据参与者的身高进行调节，可确保其在受到绊倒干扰后若无法恢复平衡时，身体任何部位（除脚部外）均不会接触地面。此外，头顶轨道的长度（8 m）足以确保参与者的行走不受限制（参见 补充图3).
3. 实验步骤
   1. 根据以下标准化指示，要求参与者以平时行走的速度、目视前方，正常穿过实验室： "以您平时在熟悉的平坦街道上行走的速度和方式，沿着走道走到尽头，同时像平常一样目视前方".
   2. 调整受试者的起始位置，确保对侧（未绊倒侧）下肢位于聚丙烯丝前方约4米处的起始点稍靠前的位置，使其在施加绊倒干扰前能够以正常速度行走4至5步。
      1. 受试者需完成两个步行阶段。每个阶段中，允许受试者行走最多15次，绊倒/滑倒干扰应在第5次行走之间施加^th 和15^th 重复（随机确定）。
      2. 在行程干扰后，不要让参与者再进行任何额外的重复。
      3. 重复第一个区块中的相同步骤，用于触发与第一个区块中相反的肢体。
         注意：对肢体进行阻断的顺序是随机分配的。
      4. 在开始步行测试之前，告知参与者可能会出现一些干扰，但不要提供任何关于可能被绊倒的具体信息。相反，应告知参与者在某些时刻可能会失去平衡。
      5. 指导受试者在受到任何平衡干扰后尽可能恢复平衡，并在可能的情况下继续行走至步道末端。
   3. 仅当对侧（未绊倒侧）肢体的足部正确着地时（即略位于导线前方）才触发系统。若受试者在导线前方、导线上或足部过于靠前时迈步，则不应激活系统。这些操作步骤可确保绊倒干扰在摆动中期阶段一致施加，从而减少无效试验的发生。
4. 评估该系统能否诱导出有意义的恢复反应。
   ​注意：本研究旨在建立一种实验方法，以在下肢截肢患者中诱发意外绊倒扰动。尽管该方法可引发意外绊倒，但由于使用了模拟导线及实验室环境，因此不能认为所有绊倒均为完全意外。采集并分析了一名经胫骨截肢者（TTA）的三维运动学数据，以验证该方案是否能够产生意外绊倒，从而引发具有意义的绊倒/恢复反应。
   1. 数据采集
      1. 在行走路径前方5米处放置两部智能手机，用于记录每次行走试验。将手机以约30度的角度对准行走行进线。^o.
      2. 使用 OneCap 软件同步两部智能手机，以 60 Hz 的频率进行采样。OneCap 软件通过生成一个由智能手机读取的代码来实现设备同步。随后，图像将自动存储在计算机上，并传输至远程处理系统。软件会提示数据传输及成功重建的状态。
         注意：该软件无需物理标记物，可自动识别并追踪肢体节段，姿态检测算法通过转换图像来估算关节中心，从而提供相对准确的运动学分析。处理后的文件可使用 OpenSim 软件进行分析。
      3. 然后，处理图像并将图像传输至 OpenSim 软件（版本 4.4）以进行所有运动学分析。
         注意：无标记系统具有优势，因为初步测试表明，触发线会移除某些物理标记物（尤其是放置在足部的标记物）。关于数据采集与处理方法相对优势的讨论超出了本实验方案的范围。读者可参考 Uhlrich 及其同事的相关研究。³² 如需更多信息。
   2. 数据处理与分析
      注意：OpenSim 是一个免费提供的软件包，可用于构建、共享和分析肌肉骨骼系统的计算机模型以及运动的动态模拟。更多详细信息可访问以下网站： https://simtk.org/projects/opensim/

结果

假设安全带系统在行走过程中不会产生干扰，并且在绊倒恢复策略失败时被证明能有效防止跌倒。此外，未报告任何损伤（如皮肤擦伤、瘀伤）。弹簧释放时产生的噪音不被视为干扰因素，因为受试者并未因此阻止绊倒的发生。此外，系统启动瞬间与金属丝发生碰撞之间的时间约为60 ms。因此，可以认为系统启动所产生的噪音持续时间不足以在绊倒发生前改变摆动肢体的运动过程。最后，绊倒施加位置位于步行通道内距起点4 m处，使受试者在扰动施加前能够达到自然行走速度（0.91–0.98 m·s^-1）。

实验结果突显了该系统在诱导经股截肢（TTA）受试者行走时发生绊倒方面的功能，无论绊倒是发生在健侧肢体还是假肢侧肢体。共成功诱导并记录了两次绊倒事件（即每侧肢体各一次）。未出现无效试验，因为该系统仅在支撑相足部正确地位于绊线稍前方时才会被触发。此外，聚丙烯绊线具有足够的抗拉强度，可在阻碍摆动相肢体前进的同时不被拉断。

初步分析与结果
当假肢侧和健全侧肢体被绊倒时，踝关节、膝关节和髋关节的角位移以及身体质心...

讨论

尽管本方案提供了旨在描述应用于经胫骨截肢者绊倒实验的初步结果，但该方法也可安全地应用于其他截肢者，例如经股骨截肢者，后者在绊倒后恢复平衡可能面临更大的困难。该方法有助于识别在意外绊倒情况下为恢复平衡所采取的最显著动作。当摆动肢体接触到地面物体/障碍物时，该方案通常可视为模拟了真实世界中的绊倒场景³³。然而，在试验过程中观察到，当假肢肢体被绊倒时，受试者无法将假肢远端从导线上释放，这与真实情况不同，因为在现实环境中，大多数扰动在撞击后会立即消失。在解读结果之前，读者应注意到，相关分析旨在验证所提出方案的可行性。本研究并非设计用于探索或全面系统地表征对绊倒反应的所有特征。因此，尚需进一步研究来比较本方案未涉及的因素，如截肢水平、假肢类型等。

该系统持续对任一肢体（假肢和健全肢体）诱发干扰。运动学数据与文献报道结果具有可比性^17,18,28。理解绊倒后的恢...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
电磁板	Intelbras	https://www.intelbras.com/en/set-of-supports-with-electro-magnetic-lock-fe-150-kt-741-prata	两块电磁板（一块固定，一块可移动）
全身式安全带	Generic	N/A	直径11 mm的安全绳，安装在参与者头顶上方2 m处的轨道上
防冲击护目镜	Generic	N/A	一副带有下部和侧面封闭结构的护目镜
绝缘胶带	3M	https://www.3m.com/3M/en_US/p/c/tapes/electrical/ptfe/	用于遮挡护目镜下缘和侧缘，以阻碍视野
Open Pose	OpenPose	https://github.com/CMU-Perceptual-Computing-Lab/openpose	Open Pose 是一种用于运动分析的开源软件 https://github.com/CMU-Perceptual-Computing-Lab/openpose
Open Sim	OpenSim	https://simtk.org/projects/opensim/	OpenSim 是一种用于分析多种运动参数的软件 https://simtk.org/projects/opensim/
聚丙烯线	Generic	N/A	直径4 mm
触发系统	Generic	N/A	触发系统为自制装置，由一个弹簧拉动杠杆，使导线升高至地面以上约10 cm处
摄像机	Apple	https://apple.com	使用了两部智能手机（Apple 8 和 11 型号）的摄像功能。