行研丨上肢型假肢，酷酷的漫威冬兵离我们有多远？【技术篇】

2020-10-30 思宇研究院官方

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前言

佩戴假肢能够大大改善肢体缺失患者的外观，恢复肢体功能，尤其是对心理调整、心理恢复有极大好处。患者戴假肢以后能够有更强的自理能力，可以更好地完成社会生活以及工作，因此为截肢者提供良好的假肢是社会、行业、患者自身发展的需要。

一、方兴未艾的发展前景

社会发展的要求。国家高度重视残疾人康复服务需求，推进健康中国建设，增进人民福祉。2016年10月国务院在《关于加快发展康复辅助器具产业的若干意见》明确提出：“支持人工智能、脑机接口、虚拟现实等新技术在康复辅助器具产品中的集成应用，支持外骨骼机器人、照护和康复机器人、仿生假肢、虚拟现实康复训练设备等产品研发。”为截肢者提供反馈自然的假肢是目前我国康复事业发展的迫切要求。

行业发展的需求。据国外咨询机构调查显示，2018年全球上肢型假肢市场规模已达到10亿美元，年复合增长率高于11%，有望在2020年扩大为23亿美元。根据第六次全国人口普查及第二次全国残疾人抽样调查，2010年末我国残疾人已达到8502万人，其中5000多万人有康复需求，60%以上需要辅助器具。

目前我国上肢功能性假肢行业需求从低端的机械型假肢向肌电型假肢过渡，高端产品需求十分强烈。2017年，我国上肢功能性假肢行业需求规模为3.05亿元，上肢功能性假肢产量为2.46万件，同比增长7.7%。预计到2023年，我国上肢功能性假肢需求量将增长到5.10万件。

截肢者的渴求。虽然目前已有不少成熟的假肢手产品，但有调查显示成年假肢用户对假肢的拒绝率达45%，其中近端截肢者、高龄截肢者对于假肢手的排斥率较高。除了假肢手存在磨损等舒适度问题之外，主要原因还是假肢手感知能力的缺乏以及假体与感知需求之间的差异。

假肢手能够辅助截肢者完成一定的基本动作，但缺乏可靠的感觉反馈是这些产品最大的缺陷，极大地阻碍了它们的实用性和功能体现，是截肢者拒绝的主要原因。真正实现假肢手的感知反馈不仅需要面对许多技术上的挑战，而且也需要解决大脑、神经方面的科学问题。

二、假肢反馈的新兴技术

在上篇文章中，我们回顾了不少国内外知名的上肢型假肢产品，如何使机械的上肢型假肢人性化使用，高度依赖于假肢的反馈技术。在过去的几十年里，许多研究致力于通过植入电极、感觉神经功能重建等有创方式，或通过机械反馈、振动反馈、电触觉反馈等无创方式实现假肢手的感觉反馈，从而在一定程度上提高了假肢手的操作能力和截肢者对假肢手的接纳度。

1、植入性电极

植入性电极通常包括在神经内植入纵向束内电极（Longitudinal Intrafascicular Electrode，LIFE）、束内电刺激阵列（Transverse Intrafascicular Multichannel Electrodes，TIME）、犹他斜面刺入式电极阵列（Utah Slant Electrode Array，USEA）及扁平束内电极（Flat Intrafascicular Nerve Electrode，FINE）等植入性神经电极。

洛桑联邦理工学院的研究者发现，在截肢者残端的尺神经和正中神经处植入束内多通道电极可实现神经内刺激，植入电极后经桡骨截肢患者使用假肢对物体的大小、高度的辨别准确率达75.5%。

虽然通过神经性植入电极能给截肢者带来假肢手的感觉反馈效果，但是这种方法都会带来一定的风险，因其需要大量的自体神经组织，并对其有一定损伤。对于神经性植入电极，首先不一定能将电极如愿配置在神经内部的所需位置，其次移植后不容易固定电极体，电极的位置容易受外力而游动，因此不利于长期移植。

2、脑感知皮层微电流刺激

除了能在截肢残端植入电极生成刺激形成反馈之外，目前也有不少研究致力于在大脑皮层植入电极形成脑机接口，使高位截肢者通过脑电控制假肢，提供假肢反馈。一个植入性电极阵列可以记录100-200个神经元的信号。记录下来的神经信号将传送给经过解码后可以识别神经元的放电模式，根据放电模式的规律将其编译为相应的运动指令，从而驱动假肢完成运动。

美国加州理工学院的研究团队曾在大脑表面约3毫米厚的组织中采集脑电信号，将大脑皮层深层的神经信号传输到计算机，通过大量训练使患者逐渐掌握如何用意念控制，采集脑电后患者通过控制假肢手拿起桌上的杯子喝下啤酒。目前的植入电极一般可以使用5年，但仍然存在兼容性、电极偏移等为题，未来柔性电极也许会解决这一问题。虽然脑机接口的确是一突破性技术，但离实际应用还有一段距离。

3、诱指感反馈

截肢后其残端部位与手指存在一定的解剖映射关系，利用这种仅存的映射关系可以刺激残端使截肢者感到其失去的手指被触摸，这种现象被研究者称为诱指感现象。

利用经皮神经电刺激（Transcutaneous Electrical Nerve Stimulation,TENS）可以在截肢残端实现诱指感。经皮神经电刺激的电流脉宽、幅度、频率等参数可调节，可不同程度地刺激到皮肤中的多种感受器及神经末梢，产生多种感知模式，如轻触、按压、嗡鸣、震动、麻木、疼痛等。

通过调节不同程度的刺激幅度、脉冲宽度或频率，截肢者可以明显感觉到失去的手指似乎被触摸。基于诱发指感的感觉反馈因其无创、自然的特点目前成为假肢手感觉反馈中的研究热点，被认为是可能实现最自然的假肢手感知反馈方法之一。

上海交通大学神经康复工程实验室团队通过电刺激并询问的方法确定截肢者的诱发指感区域，并改变电流、脉冲、频率的强度对诱发指感区域进行经皮神经电刺激，实验表明，截肢者通过TENS可以获得该区域相应的诱发手指地图（Projected Finger Map,PFM），根据刺激参数的不同确定了7种不同的感知模式及其刺激范围。

在此基础上，研究团队又进一步研究了TENS在截肢者残端皮肤引发的触觉现象。在改变刺激电流幅度的条件下，9名截肢者都能对触碰、压力等不同感觉模式进行准确识别，实验还表明了截肢部位越靠近手指，诱发指感区域与手指的映射关系越明显。在长达11个月的连续观察中，截肢者的诱发指感区域并没有明显的位移。

4、视觉反馈

大脑对于假肢的理解，很大程度上依赖于视觉通路，因此视觉反馈对于假肢手来说同样也是很重要的反馈方式。东京大学的研究者设计了一套虚拟现实与触觉反馈结合的系统，可用于缓解截肢者的传入阻滞性疼痛。

截肢者在健侧手掌佩戴数据反馈手套，头戴Oculus设备，在VR环境中用健侧去抓取目标物体，同时通过Kinect与数据反馈手套捕捉截肢者健侧的运动，将健侧运动在VR环境中镜像为残肢运动，即由真实健侧手肢控制虚拟患侧手肢完成抓取任务，任务完成时会有声音和振动提示。在虚拟现实和振动反馈下，截肢者能减少41.8±19.8%的疼痛感。

2016年哥德堡查尔默斯理工大学研究团队在一项研究中，利用网络摄像头对截肢者残端的识别码进行定位，随后在屏幕上将虚拟手肢与残肢对齐，通过对肌电图的分析获取残肢端的运动速度，同时显示虚拟手肢并引导截肢者完成相应康复动作。

通过一年时间的训练，结果发现截肢者的幻肢疼痛感降低了47%，四名接受药物治疗的截肢者中有两名分别减少了81%和33%的药物摄入量。随后在此基础上，2018年又通过对残端肌电图进行解码，通过侦测残端上的肌电信号判断截肢者的动作意图，然后将动作投影至在屏幕上，截肢者看着屏幕，就像对着镜子做动作，增强了假肢使用体验。

三、方兴未艾，任重道远

在假肢市场规模方面，目前我国上肢功能性假肢大型企业数量较少，Ottobock和Ossur两大国外品牌占据了较高的市场份额，国内的仅有科生等少数几家规模稍大的企业，其余企业规模都较小。在核心技术方面，国外假肢产品覆盖面全，假肢类型多，控制与反馈效果好，得到了众多消费者的认可；而国产假肢虽然具有成本上的优势，但使用效果与国外品牌相比仍有差距，缺乏竞争力。

一战后，假肢逐渐出现在人们生活中，随着科技的进步，不少先进技术逐渐应用于假肢研发。目前市面上已经出现多款仿生假肢，可以通过肌电信号控制，3D打印技术等方式实现，这些仿生假肢已经与真实肢体一般无二，但假肢较高的拒绝率和较低的普及率仍然是很严峻的现实问题。

如何为假肢用户提供一个易于使用、感觉反馈可靠的假肢是需用通过工程师、医生从工程技术、神经科学等两大方面联合考虑。除此之外，当截肢者佩戴假肢回归社会时，我们也需要为他们提供绿色通道，使他们拥有更强的自理能力，可以更好地完成社会生活以及工作。

结语

在政策红利、科技发展的背景下，上肢型假肢行业一方面展现出方兴未艾、大有作为的发展趋势，另一方面核心技术、康复配套环境的差距仍然提醒着我们任重而道远。

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