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,....

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

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。