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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(cè)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(chǎng)，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(qǐng)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(duì)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(chǎng)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(duì)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(duì)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(shì)
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(jiǎn)單，對(duì)于剛性物體的抓舉還是實(shí)用的。但對(duì)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(duì)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(duì)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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