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綜述
肌電假手的研究現(xiàn)狀
人手是人類賴以生存和勞動(dòng)的最復(fù)雜，最精細(xì)的工具。人類可以通過自己的手與外界環(huán)境接觸并從環(huán)境中取得信息。物體的紋理，溫度及人手運(yùn)動(dòng)的速度，力量幾乎同時(shí)潛意識(shí)地傳入人的大腦。人手不僅僅是絕妙的環(huán)境操作者，而且是人類交流的強(qiáng)有力的工具。人手不僅僅可以增強(qiáng)語言的含義及感情色彩，有時(shí)甚至可以代替語言，例如撫摸和擁抱。由于人手的重要性，因此手的缺失不僅僅使人喪失了重要功能而且遭受心理傷害。
假肢是人缺損肢體的代替物，用以彌補(bǔ)缺損肢體的形狀與功能。理想的假手應(yīng)該在形狀和功能上與真手一樣。它不僅僅能替代人手的感覺和運(yùn)動(dòng)功能，而且還要像人手一樣具有優(yōu)美的外形。但目前技術(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到這個(gè)理想要求。
我們這里介紹的肌電假手是利用肌電作為控制信號(hào)的動(dòng)力假肢，是一種生物電控制的典型的“人—機(jī)”系統(tǒng)。其工作原理是利用殘肢者手臂上的殘端肌肉中檢測出的肌電位變化作為假手動(dòng)作的控制信號(hào)，控制假手動(dòng)作，從而代替人軀體上失去的手臂。與其他方式控制的假手比起來具有很多的優(yōu)越性，因而受到患者的青睞，擁有廣闊的市場，也成為上肢假肢研究中的一個(gè)熱點(diǎn)。
一、國外的研究現(xiàn)狀
1919年，Borchard等最早發(fā)明了用電能作為外來動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的機(jī)械假手，打開電源開關(guān)，食指和中指就能推動(dòng)拇指，但由于當(dāng)時(shí)缺乏合適的控制系統(tǒng)以及未能解決可提供電源的電池，這種電子假手從未得到實(shí)際應(yīng)用。雖然有報(bào)道說在1945年Erlangen開發(fā)出一種電子假手，但這條消息未得到證實(shí)。后來一種被稱為Vaduz的假手得到應(yīng)用，并在1949年申請了專利。這種電子假手是應(yīng)用殘肢殘存的肌肉收縮或松弛時(shí)殘肢周徑的不同作為控制信息源的。
直到肌電控制假肢出現(xiàn)以后，電子假手的發(fā)展才受到重視。1945年德國的Reihold Reiter對肌電控制理論進(jìn)行了基礎(chǔ)研究，并發(fā)表了肌電控制假肢的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果。1948年Reihold Reiter研制成功世界上第一只肌電假手，這只假手被安裝在長凳的一端，電子系統(tǒng)中有許多真空管，用一塊肌電控制它的張開和閉合，是第一個(gè)單點(diǎn)控制的范例。Reiter的假手在1959年的布魯塞爾世界博覽會(huì)上引起轟動(dòng)。從此引發(fā)了世界范圍的電子假肢研究熱潮。
在過去的幾十年中，科技的進(jìn)步極大影響了上肢假肢產(chǎn)業(yè)。隨著微電子技術(shù)的進(jìn)步及微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，肌電控制假手逐漸成熟并得到了廣泛應(yīng)用。經(jīng)過1957—1960年的發(fā)展，通過將電子假手內(nèi)的晶體管，電池與電子元件的分別安裝，并通過電纜連接，使假手變的十分輕便。1960年，Kobrinsk等設(shè)計(jì)的肌電假手在蘇聯(lián)第一次應(yīng)用于臨床，1965年HSchmidl在法蘭克福的聯(lián)邦骨科技術(shù)職業(yè)學(xué)校研制出第一只這正實(shí)用的肌電控制假手。二十世紀(jì)六十年代，德國OttoBock公司致力于開發(fā)一種符合機(jī)械和美容要求的電子假手，該公司于1965年生產(chǎn)出了包括三個(gè)部分的肌電假手：1 具有拇指，食指，中指三個(gè)手指，并能完成抓握動(dòng)作的機(jī)械地盤；2 應(yīng)用軟塑料做成的具有手形狀的內(nèi)手；3 具有真手外觀的美容手套。1978年Herberts等報(bào)道了多功能假手的研究成果，利用EMG幅度識(shí)別和截肢者的幻覺，用表面電極檢出肌電信息，控制三個(gè)自由度電子假手完成指伸，指屈，旋前，旋后，腕伸，腕屈六個(gè)動(dòng)作，準(zhǔn)確率為百分之五十七。80年代Denning等用新的方法識(shí)別肌電信息，控制三個(gè)自由度假肢準(zhǔn)確率提高到百分之七十二。1992年，由德國Otto Bock公司和奧地利Viennatone助聽器公司合作生產(chǎn)第一代經(jīng)橈肌電系統(tǒng)可以在市場上買到。從此以后，電子元件的質(zhì)量和可用的電子元件的類型逐漸增加。目前，肌電控制假手是殘肢患者應(yīng)用最為廣泛的假手，假手的尺寸可以滿足從嬰兒到成人。不同尺寸的電子肘關(guān)節(jié)，腕關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)器也可以買到。隨著電池技術(shù)的發(fā)展，肌電假手變得越來越輕，電池可以使用一整天而不需充電。
二、國內(nèi)的研究現(xiàn)狀
我國從60年代初開始探討應(yīng)用肌電控制假手。60年代中期研制出單自由度肌電控制前臂假手，1979年研制成功三自由度肌電控制前臂假肢。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國殘肢者正在使用的各類肌電控制假手已達(dá)數(shù)萬只。事實(shí)上，我國的假手方面的研究與國外相比還存在較大的距離，從事這一領(lǐng)域研究和開發(fā)的大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)相對較少，相關(guān)產(chǎn)業(yè)比較落后。各假手生產(chǎn)廠家及康復(fù)中心目前的產(chǎn)品主要是裝飾性假手和機(jī)械牽引式假手。因此開發(fā)和研制國產(chǎn)的智能假手有廣泛的應(yīng)用前景和社會(huì)效益。我國一些大學(xué)和研究所積極地從事假手方面的研究工作。胡天培等人采用再造“指”作為控制信號(hào)源，實(shí)現(xiàn)了電子假手的準(zhǔn)確控制。
目前，已經(jīng)開發(fā)出來的商品化的性能比較完善的假手仍然是單自由度、開環(huán)控制系統(tǒng)的肌電假手。盡管科研人員對假手作了很多研究，但是大部分成果實(shí)際上仍然處于實(shí)驗(yàn)室階段，距離商品化、實(shí)用化還有很大的距離。
三、肌電假手的發(fā)展趨勢
隨著康復(fù)工程、機(jī)械、電子學(xué)的發(fā)展，肌電假手的研究也逐漸深入，向著更加智能化發(fā)展。上面介紹的傳統(tǒng)肌電假手采用開環(huán)控制，最大弊端是缺少感覺功能，始終以恒力、恒速來進(jìn)行物體抓取。由于控制系統(tǒng)比較簡單，對于剛性物體的抓舉還是實(shí)用的。但對于易變形（如薄膜工件、柔軟材料等）、易碎物體（如雞蛋、玻璃制品等）就可能造成變形。破碎或者對表面造成損傷。還有環(huán)境的變化，如一個(gè)外力突然作用在被握物體上，被握物體可能脫落。智能假手技術(shù)是用工程方法模擬人的感覺和智能行為，利用傳感器獲取外部信息，形成閉環(huán)控制，其關(guān)鍵技術(shù)在于傳感器和控制系統(tǒng)。利用安裝在假手手指前端的觸、滑覺傳感器，來對握物狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)識(shí)別。假手的握力控制可采用模糊控制技術(shù)，使假手能根據(jù)物體的滑動(dòng)速度隨時(shí)自適應(yīng)握力調(diào)整，保證以最小握力實(shí)現(xiàn)無滑移抓取控制。
假手握物過程擬人性好，響應(yīng)快，握物穩(wěn)定，可靠。但帶有觸滑覺肌電假手是一種新的假肢模式，其完善和產(chǎn)品化還需要更多的學(xué)者和工程技術(shù)人員的不斷努力。
參考文獻(xiàn)
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