義肢の構成要素と設計

義肢の構成要素と設計は、義肢装具学の一分野であり、四肢義肢を構成する工学的に設計された部品と、機能を回復させるためにこれらの部品がどのように選択、構成、調整されるかを規定する原則に関わります。これは、残存肢とのインターフェース、構造的および関節の構成要素、そして地面や物体と相互作用する末端要素に及び、義肢を個人のニーズに合わせた機械システムとして扱います。

Definition

義肢の構成要素と設計とは、外部義肢の構造的、関節的、インターフェース、および末端部分の研究と、失われた肢体部分を代替するためにそれらが選択、結合、調整される工学的および生体力学的原則を指します。

Scope

この分野では、外部義肢の主要な構成要素の分類について読者に説明します。これには、デバイスを残存肢に接続するソケットとサスペンション、義足と足首アセンブリ、膝機構、上肢の義手と末端デバイスが含まれ、それらを特徴づける設計上のトレードオフ（重量、安定性、エネルギーリターン、制御、耐久性）も扱います。これは、構成要素と設計ロジックに関する参照および教育的な概要であり、適合プロトコルや処方ガイドではありません。

Sub-topics

• Prosthetic Feet and Ankle Assemblies
• Prosthetic Knee Mechanisms
• Prosthetic Socket Interface and Suspension
• Upper-Limb Prosthetic Hands and Terminal Devices

Core questions

• 各義肢構成要素はどのような機能的要求を満たす必要があり、設計上の選択は安定性と可動性、重量、エネルギーコストの間でどのようにトレードオフされるか？
• ソケットと残存肢のインターフェースは、どのように荷重を伝達し、デバイスを懸垂するか？
• 受動的、油圧式、マイクロプロセッサー制御の関節は、提供する挙動においてどのように異なるか？
• 上肢デバイスにおいて、ユーザーの制御信号はどのように捕捉され、動作に変換されるか？

Key concepts

• ソケットとサスペンションのインターフェース
• 静的および動的アライメント
• エネルギー貯蔵とリターン
• 立脚期安定性と遊脚期可動性
• マイクロプロセッサー制御
• 身体動力式と外部動力式制御
• 構成要素の重量と耐久性のトレードオフ

Mechanisms

四肢義肢はチェーンとして組み立てられます。ソケットは残存肢を包み込み、荷重を軽減し、サスペンション機構がデバイスを固定し、構造パイロンが荷重を伝達し、関節（足首、膝、手首）が歩行または作業サイクル全体での動きを形成し、末端構成要素（足または手/末端デバイス）が環境と相互作用します。設計は相反する目標のバランスを取ります。立脚期に安定性の高い膝は、遊脚期には屈曲が難しくなる場合があります。より多くのエネルギーを蓄え、放出する足は、より重くなったり、安定性が低下したりする可能性があります。アライメントは、荷重線に対して構成要素を配置し、地面反力や把持力が意図した関節挙動を生み出すようにします。上肢デバイスでは、チェーンにはさらに、ユーザーが末端デバイスを操作するために調整する制御源（ハーネスを介した身体動力、または筋電信号）が含まれます。

Clinical relevance

構成要素の選択と設計は、義肢を使用して人がどれだけ効率的かつ安全に立ったり、歩いたり、作業を行ったりできるかに影響を与え、選択肢を理解することは、リハビリテーションチーム内での情報に基づいた共有意思決定をサポートします。この分野は、設計空間と構成要素の挙動に関するエビデンスを記述し、参照および教育のためにデバイスを特徴づけるものであり、個々の処方や適合決定の根拠となるものではありません。

Evidence & guidelines

義肢構成要素に関する比較エビデンスは、構成要素の分類によって不均一です。システマティックレビューでは、義足の足首-足機構とマイクロプロセッサー制御膝が検討されており、対照研究では筋電制御戦略が評価されています。エビデンスベースの多くは、小規模な生体力学的研究やクロスオーバー研究で構成されており、レビューではアウトカムと集団の異質性が繰り返し指摘されています。

History

外部義肢は、20世紀に硬い木製および革製のデバイスから、交換可能な構成要素を持つモジュール式の内骨格システムへと進化しました。その後の数十年間で、エネルギー貯蔵型義足、油圧式、そしてマイクロプロセッサー制御膝、そしてますます高性能な筋電義手が導入され、設計は純粋な構造的代替から、動きを積極的に形成し、ユーザーと環境に反応する構成要素へと移行しました。

Debates

どの程度の機能追加が、より複雑で高価な構成要素を正当化するか？

マイクロプロセッサー膝や多関節義手などの高度な構成要素は、一部のユーザーにおいて測定可能な機能的利益を提供するが、レビューでは効果の大きさのばらつき、コスト、重量、信頼性の問題が指摘されており、構成要素の複雑さを個々のニーズに合わせることは依然として議論の的となっている。

Seminal works

• hofstad-2004
• kuiken-2009
• hahn-2021

Frequently asked questions

義肢の主要な構成要素は何ですか？

一般的な義肢には、残存肢に装着するためのソケットとサスペンション、構造パイロン、足首や膝などの関節、そして末端構成要素（下肢デバイスの場合は足、上肢デバイスの場合は手または末端デバイス）が含まれます。

受動的構成要素とマイクロプロセッサー制御構成要素の違いは何ですか？

受動的構成要素は、固定された特性で荷重に機械的に反応するのに対し、マイクロプロセッサー制御構成要素は、センサーとコントローラーを使用して、動きの異なる段階で抵抗や挙動をリアルタイムで調整します。