利用振荡与反应板技术估算小腿假肢的惯性特性

本实验的总体目标是估算膝下假肢的惯性特性。首先，将假肢悬挂在笼状装置内，测量其摆动周期；第二步，采用反作用板技术，估算假肢与笼状装置组合系统的质心位置。

接下来，将假体从笼子中取出，然后使用反应板技术估算仅笼子的质量中心位置。最后一步是测量仅有笼子时的振荡周期。最终，该惯性测量系统通过已知几何形状的实体（如一块 4 英寸×4 英寸的木块）进行了验证。

这些实验的结果见附录。通过从假肢与套筒组合测量值中减去套筒的惯性测量值，可估算出假肢的惯性特性。与现有方法（例如假设假肢侧的惯性特性与健全侧相似）相比，该技术的主要优势在于能够更准确地在个体生物力学模型中表征假肢腿的惯性。开始时，让截肢者坐在椅子上，使假肢腿可舒适地抬离座椅，以便受试者能够完成一系列膝关节屈伸动作。

接下来，确定膝关节的旋转中心（COR），并在旋转中心处贴上一小块胶带。然后测量假体边缘到膝关节旋转中心（COR）的距离。如果膝关节旋转中心位于假体边缘的下方，则该数值应记录为负值。

接下来，确定膝关节中心（COR）与踝关节中心（COR）之间的距离。然后取下假肢及其内层套筒，使用软尺测量残肢尺寸，以估算残肢的惯性特性。接着，测量残肢近端周长以及最大周长，后者大约位于距离膝关节两个手指宽度的位置。

然后测量残肢远端最后骨性突起处的远端周长。接着，测量残肢长度，即从腓骨头到残肢最远端之间的距离。通过取出轴杆，将振荡架内的内笼取出，将受试者的衬垫和层片放入假肢接受腔内。

然后，将仍穿着鞋的假肢稳妥地放置在内层振荡笼中，使用魔术贴绑带将假肢足部固定在笼子的远端板上。接着，通过固定轴将内层笼子重新安装到振荡架内。调整内层笼子的悬挂臂与定位螺钉对齐，以使振荡角度设定为小于五度。

开始进行摆动实验时，向后拉动内笼直至其接触限位螺钉，然后向前移动内笼，直到限位螺钉与内笼之间出现可见间隙。将假肢固定在内笼中，采集三次摆动实验数据，记录每次实验中完成一个完整摆动周期的平均时间。在转移反应板测量位置之前，保持假肢在支架中固定不动，并将内笼水平放置在刀口支承上。

然后使用数显卡尺和软尺测量内笼顶部可调上板与内笼顶部固定横杆之间的距离。接着，测量内笼底部可调板与内笼顶部固定横杆之间的距离，并确定内笼底部可调板与内笼底部固定横杆之间的距离。然后测量两个刀口边缘之间的距离。

将秤调零后，将支架和假肢放置在反力板组件上。然后将内笼的一端放在秤上，并将内笼底部的刀口边缘放置到位，使其保持水平，且两个刀口边缘之间无张力。将秤端抬起数次，再重新放回秤上。

当秤的读数稳定后，记录该数值。接着，将假体从内层笼中取出，仅记录笼子的反力板读数。取下假肢上的鞋，测量鞋的质量。

然后获取假体在无鞋状态下的质量。接着，测量踝关节旋转中心（COR）与足底表面之间的距离。随后，确定假体足部在无鞋状态下的长度。

将鞋子重新穿回假肢上，测量踝关节旋转中心（COR）到鞋底的距离以及穿鞋时足部的长度。然后重新调整内笼在振荡架内的位置，确保带有反光胶带的黑色角最靠近光电传感器。固定轴，并确保内笼的悬挂臂与定位螺钉对齐。

最后，收集10次振荡试验数据，仅记录每次试验的首个振荡周期（参见附录A，了解为何在笼子为空时仅记录首个振荡周期）。假肢侧的惯性特性显著低于健全侧下肢的惯性特性，其质量减少了39%。

转动惯量减少了52%，且质心位置比完整肢体估计值更靠近膝关节24%。踝关节、膝关节和髋关节的关节反作用力在前、后和垂直方向上被确定。支撑相始于步态周期的0%，结束于步态周期的大约60%处。

摆动相持续到同一条腿的下一次足部触地，即步态周期的100%。以下结果是在分析踝关节、膝关节和髋关节横轴方向的关节力矩时获得的。假肢侧在摆动相期间的动力学曲线更接近于健全肢体。当使用健全肢体的惯性特性来建模假肢侧时，一旦掌握该技术，若操作得当，可在30分钟内完成。