ส่วนประกอบและการออกแบบขาเทียม

ส่วนประกอบและการออกแบบขาเทียมเป็นสาขาหนึ่งของออร์โธปิดิกส์และกายอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องกับชิ้นส่วนทางวิศวกรรมที่ประกอบเป็นขาเทียม และหลักการที่ควบคุมการเลือก การกำหนดค่า และการจัดแนวชิ้นส่วนเหล่านั้นเพื่อฟื้นฟูการทำงาน ครอบคลุมส่วนต่อประสานกับตอขา ส่วนประกอบโครงสร้างและข้อต่อ และส่วนปลายที่ทำปฏิกิริยากับพื้นหรือวัตถุ โดยถือว่าขาเทียมเป็นระบบกลไกที่ปรับให้เข้ากับความต้องการของบุคคล

Definition

ส่วนประกอบและการออกแบบขาเทียมหมายถึงการศึกษาโครงสร้าง ข้อต่อ ส่วนต่อประสาน และส่วนปลายของขาเทียมภายนอก รวมถึงหลักการทางวิศวกรรมและชีวกลศาสตร์ที่ใช้ในการเลือก การรวม และการจัดแนวส่วนประกอบเหล่านี้เพื่อทดแทนส่วนของแขนขาที่ขาดหายไป

Scope

สาขานี้จะแนะนำผู้อ่านให้รู้จักกับส่วนประกอบหลักของขาเทียมภายนอก ได้แก่ เบ้าและระบบยึดที่เชื่อมต่ออุปกรณ์เข้ากับตอขา เท้าเทียมและส่วนประกอบข้อเท้า กลไกข้อเข่า และมือเทียมและอุปกรณ์ปลายแขนสำหรับแขนส่วนบน รวมถึงการแลกเปลี่ยนในการออกแบบ (น้ำหนัก ความมั่นคง การคืนพลังงาน การควบคุม ความทนทาน) ที่ทำให้แต่ละส่วนแตกต่างกันไป เป็นภาพรวมอ้างอิงและให้ความรู้เกี่ยวกับส่วนประกอบและตรรกะการออกแบบ ไม่ใช่ระเบียบวิธีในการปรับแต่งหรือคู่มือการสั่งจ่ายยา

Sub-topics

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

Core questions

• ความต้องการด้านการทำงานใดบ้างที่ส่วนประกอบขาเทียมแต่ละส่วนต้องตอบสนอง และการเลือกการออกแบบจะแลกเปลี่ยนความมั่นคงกับความคล่องตัว น้ำหนัก และต้นทุนพลังงานอย่างไร?
• ส่วนต่อประสานระหว่างเบ้ากับตอขาถ่ายเทน้ำหนักและยึดอุปกรณ์ไว้อย่างไร?
• ข้อต่อแบบพาสซีฟ ไฮดรอลิก และควบคุมด้วยไมโครโปรเซสเซอร์แตกต่างกันอย่างไรในพฤติกรรมที่ให้?
• สัญญาณควบคุมของผู้ใช้ถูกจับและแปลงเป็นการกระทำในอุปกรณ์แขนส่วนบนได้อย่างไร?

Key concepts

• ส่วนต่อประสานเบ้าและระบบยึด
• การจัดแนวแบบสถิตและพลวัต
• การเก็บและคืนพลังงาน
• ความมั่นคงในระยะยืนเทียบกับความคล่องตัวในระยะแกว่ง
• การควบคุมด้วยไมโครโปรเซสเซอร์
• การควบคุมด้วยพลังงานจากร่างกายเทียบกับการควบคุมด้วยพลังงานภายนอก
• การแลกเปลี่ยนระหว่างน้ำหนักและความทนทานของส่วนประกอบ

Mechanisms

ขาเทียมประกอบขึ้นเป็นลูกโซ่: เบ้าจะยึดและรับน้ำหนักจากตอขา กลไกการยึดจะช่วยให้อุปกรณ์ติดอยู่กับที่ เสาโครงสร้างจะส่งผ่านน้ำหนัก ข้อต่อที่เคลื่อนไหวได้ (ข้อเท้า ข้อเข่า ข้อมือ) จะกำหนดการเคลื่อนไหวตลอดวงจรการเดินหรือการทำงาน และส่วนประกอบปลาย (เท้า หรือมือ/อุปกรณ์ปลายแขน) จะทำปฏิกิริยากับสิ่งแวดล้อม การออกแบบจะสร้างสมดุลระหว่างวัตถุประสงค์ที่แข่งขันกัน เช่น ข้อเข่าที่มั่นคงกว่าในระยะยืนอาจงอได้ยากขึ้นในระยะแกว่ง เท้าที่เก็บและคืนพลังงานได้มากขึ้นอาจมีน้ำหนักมากหรือมั่นคงน้อยลง การจัดแนวจะจัดตำแหน่งส่วนประกอบสัมพัทธ์กับแนวรับน้ำหนัก เพื่อให้แรงปฏิกิริยาจากพื้นหรือแรงจับยึดทำให้เกิดพฤติกรรมการทำงานของข้อต่อตามที่ตั้งใจไว้ ในอุปกรณ์แขนส่วนบน ลูกโซ่ยังรวมถึงแหล่งควบคุม (พลังงานจากร่างกายผ่านสายรัด หรือสัญญาณไมโออิเล็กทริก) ที่ผู้ใช้ปรับเพื่อควบคุมอุปกรณ์ปลายแขน

Clinical relevance

การเลือกและการออกแบบส่วนประกอบมีอิทธิพลต่อประสิทธิภาพและความปลอดภัยที่บุคคลสามารถยืน เดิน หรือทำงานด้วยขาเทียมได้ และการทำความเข้าใจทางเลือกต่างๆ จะช่วยสนับสนุนการตัดสินใจร่วมกันอย่างมีข้อมูลภายในทีมฟื้นฟูสมรรถภาพ สาขานี้อธิบายพื้นที่การออกแบบและหลักฐานเกี่ยวกับพฤติกรรมของส่วนประกอบ โดยจะจำแนกอุปกรณ์สำหรับการอ้างอิงและการศึกษา และไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการสั่งจ่ายยาหรือการตัดสินใจในการปรับแต่งเฉพาะบุคคล

Evidence & guidelines

หลักฐานเชิงเปรียบเทียบเกี่ยวกับส่วนประกอบขาเทียมมีความไม่สม่ำเสมอในแต่ละประเภทของส่วนประกอบ การทบทวนอย่างเป็นระบบได้ตรวจสอบกลไกข้อเท้า-เท้าเทียมและข้อเข่าที่ควบคุมด้วยไมโครโปรเซสเซอร์ ในขณะที่การศึกษาแบบควบคุมได้ประเมินกลยุทธ์การควบคุมไมโออิเล็กทริก หลักฐานส่วนใหญ่ประกอบด้วยการศึกษาทางชีวกลศาสตร์และการศึกษาแบบครอสโอเวอร์ขนาดเล็ก และการทบทวนมักจะตั้งข้อสังเกตถึงความแตกต่างในผลลัพธ์และประชากร

History

ขาเทียมภายนอกได้พัฒนาจากอุปกรณ์ไม้และหนังที่แข็งทื่อไปสู่ระบบโครงสร้างภายในแบบโมดูลาร์ที่มีส่วนประกอบที่สามารถเปลี่ยนได้ในศตวรรษที่ 20 ทศวรรษต่อมาได้มีการนำเท้าที่เก็บพลังงานได้ ข้อเข่าแบบไฮดรอลิกและต่อมาเป็นแบบควบคุมด้วยไมโครโปรเซสเซอร์ และมือไมโออิเล็กทริกที่มีความสามารถเพิ่มขึ้นมาใช้ ซึ่งเปลี่ยนการออกแบบจากการทดแทนโครงสร้างอย่างเดียวไปสู่ส่วนประกอบที่กำหนดการเคลื่อนไหวและตอบสนองต่อผู้ใช้และสิ่งแวดล้อมอย่างกระตือรือร้น

Debates

การเพิ่มฟังก์ชันการทำงานมากน้อยเพียงใดที่สมเหตุสมผลกับส่วนประกอบที่ซับซ้อนและมีราคาแพงกว่า?

ส่วนประกอบขั้นสูง เช่น ข้อเข่าไมโครโปรเซสเซอร์และมือที่มีข้อต่อหลายส่วนให้ประโยชน์ด้านการทำงานที่วัดผลได้ในผู้ใช้บางราย แต่การทบทวนพบว่าขนาดผลลัพธ์มีความแปรปรวนและมีคำถามเกี่ยวกับต้นทุน น้ำหนัก และความน่าเชื่อถือ ดังนั้นการจับคู่ความซับซ้อนของส่วนประกอบกับความต้องการของแต่ละบุคคลจึงยังคงเป็นที่ถกเถียงกันอยู่

Seminal works

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

Frequently asked questions

ส่วนประกอบหลักของขาเทียมมีอะไรบ้าง?

ขาเทียมโดยทั่วไปประกอบด้วยเบ้าและระบบยึดที่เชื่อมต่อกับตอขา เสาโครงสร้าง ข้อต่อที่เคลื่อนไหวได้ เช่น ข้อเท้าหรือข้อเข่า และส่วนประกอบปลาย — เท้าสำหรับอุปกรณ์ขาเทียมส่วนล่าง หรือมือหรืออุปกรณ์ปลายแขนสำหรับอุปกรณ์แขนเทียมส่วนบน

ส่วนประกอบแบบพาสซีฟและส่วนประกอบที่ควบคุมด้วยไมโครโปรเซสเซอร์แตกต่างกันอย่างไร?

ส่วนประกอบแบบพาสซีฟตอบสนองทางกลไกต่อแรงด้วยคุณสมบัติที่คงที่ ในขณะที่ส่วนประกอบที่ควบคุมด้วยไมโครโปรเซสเซอร์ใช้เซ็นเซอร์และตัวควบคุมเพื่อปรับความต้านทานหรือพฤติกรรมแบบเรียลไทม์ในระยะการเคลื่อนไหวที่แตกต่างกัน