基于控制力矩的液压假肢膝关节设计：实现可调支撑期屈曲以改善步态对称性

《IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering》：Design of a Hydraulic Prosthetic Knee With Control Moment for Adjustable Stance-Phase Knee Flexion

本研究针对传统液压假肢膝关节依赖地面反作用力控制导致的支撑期双峰特性问题，提出了一种新型控制力矩支撑期控制（CMSPC）技术。通过双轴概念扩展和弹簧刚度调节，实现了支撑期膝关节屈曲角度在4.15°至13.89°范围内的精准调控，达到与非残疾人群相近的水平。单受试者步行实验表明，该设计显著改善了时空参数的步态对称性（Mann-Whitney, p<0.05），为发展中国家活跃型经股骨截肢者提供了高性能低成本解决方案。

　　

在全球下肢截肢者数量持续增长的背景下，液压假肢膝关节因其对行走速度的自适应性和成本优势，成为发展中国家活跃型经股骨截肢者的理想选择。然而，传统液压膝关节普遍采用地面反作用力（GRF）控制机制，其典型的双峰特性（M型曲线）会导致支撑早期出现轻微屈曲，不仅引发步态不自然和不对称问题，还可能因末期支撑阶段的意外锁定增加跌倒风险。更严重的是，现有技术难以实现与非残疾人群相当的支撑期膝关节屈曲幅度（通常为10°-20°），这种功能缺失会加剧健侧膝关节负荷，长期可能引发骨关节炎等二次健康问题。

针对这一技术瓶颈，由朱拉隆功大学Jiranut Manui领衔的研究团队在《IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering》发表创新性研究成果。研究团队提出了一种革命性的控制力矩支撑期控制（CMSPC）技术，通过重构液压假肢膝关节的生物力学控制机制，成功实现了支撑期屈曲角度的精准调控。该设计的核心突破在于将控制信号从传统的GRF转换为单峰值特性的控制力矩，从根本上避免了末期支撑阶段的意外锁定风险。

关键技术方法包括：1）基于自由体图（FBD）建立控制力矩数学模型，优化控制轴位置参数；2）设计双作用缸液压回路系统，通过差异直径缸体实现 stance-phase control（支撑期控制）与 swing-phase control（摆动期控制）的协同工作；3）采用弹簧刚度调节机制（0-28.6 N/mm范围）实现个性化适配；4）通过单受试者（21岁男性经股骨截肢者）跑步机步行实验（0.9 m/s）验证临床效果。

液压系统设计验证表明，控制力矩计算模型准确捕捉了生物力学特征。当水平位移（D_h）设置为+10 mm时，控制力矩在支撑期呈现理想单峰曲线，为膝关节锁定时机调节奠定基础。液压回路创新性地采用硅油No.1000（高粘度）和No.50（低粘度）分别应对支撑期稳定性和摆动期灵活性需求，通过方向控制阀（DCV）的智能切换实现运动状态的精准转换。

锁定性能测试结果显示，在600N负荷模拟条件下，方向控制阀关闭状态使主活塞位移从全行程显著降低至0.5mm，虽存在约2°的微动误差（归因于制造公差），但已满足临床稳定性要求。这一验证为后续步行实验提供了关键的安全性保障。

单受试者步行实验数据揭示了CMSPC膝关节的卓越性能。随着弹簧刚度从0 N/mm（无弹簧）增至21.5 N/mm，最大支撑期膝关节屈曲角呈现梯度变化：4.15°±0.35°（无弹簧）、6.26°±0.26°（5.2 N/mm）、8.49°±0.44°（12.2 N/mm）至13.89°±3.90°（21.5 N/mm）。特别值得注意的是，12.2 N/mm刚度条件下的屈曲角度（8.49°）与非残疾人群数据（16.20°±6.87°）虽存在差距，但已显著优于传统液压膝关节（如3R80型的4°屈曲范围）。

步态对称性分析更凸显其临床价值。时空参数的对称指数（SI）随弹簧刚度增加呈现明显改善趋势，在最优刚度12.2 N/mm条件下，步时对称比（SR）达1.14，显著优于传统假肢（SR=1.29），与微处理器控制膝关节（SR=1.12）性能相当。统计学分析证实，12.2 N/mm条件与无弹簧状态在步时（p=0.0286）、单支撑期（p=0.0286）等关键参数均存在显著差异（Mann-Whitney检验）。

讨论部分指出三个重要发现：首先，控制力矩的单峰特性成功解决了GRF控制的双峰干扰问题，使膝关节锁定时机调节范围扩大至临床实用水平；其次，弹簧刚度与屈曲角度的线性关系为个性化适配提供了技术路径，通过预压调整即可适应不同步行速度变化；最后，步态对称性的显著改善证实了生物力学效益向功能效益的有效转化。

然而研究也承认两个主要局限：1620g的膝关节重量（超商业产品30%）对能耗的潜在影响，以及单受试者实验的统计学效力不足。未来工作将聚焦于液压元件集成化减重设计，并通过大样本临床试验验证其在斜坡、楼梯等复杂环境下的适应性。

这项研究的核心价值在于开创了被动液压假肢膝关节的"力矩控制"新范式。通过将控制信号从外部GRF转换为内部生成的生物力学力矩，不仅解决了困扰领域多年的支撑期屈曲调控难题，更为发展中国家截肢者提供了与微处理器假肢性能相当、但成本大幅优化的技术解决方案。该设计启示我们：有时突破技术瓶颈不需要增加电子元件的复杂度，而是需要更深入地理解生物力学本质并开展巧妙的机械创新。