假肢研究背景與發(fā)展現(xiàn)狀

1、百度文庫假肢研究背景與發(fā)展現(xiàn)狀1假肢研究背景12假肢國內(nèi)外發(fā)展概況11假肢研究背景古往今來，成百上千萬人因?yàn)閼?zhàn)爭(zhēng)、疾病、工傷、交通事故及意外傷害而被 截 肢。特別是近年來，隨著工業(yè)、交通事業(yè)的迅速發(fā)展，這一數(shù)字正以驚人的速 度增 加。根據(jù)全國殘疾人抽樣調(diào)查結(jié)果顯示，目前我國現(xiàn)有肢體殘疾人約6000萬，其中 下肢殘疾者達(dá)到600萬。一項(xiàng)研究表明僅美國每年就有近11萬人失去下肢，對(duì)于 他們來說由于失去了人類最基本的行走功能，擁有一具控制自如的假肢是一件夢(mèng)寐 以求的事情，這種假肢將成為人體的一部分而不僅僅是身體的附屬品。隨著經(jīng)濟(jì)的 發(fā)展我國人民生活水平的提高，殘疾人對(duì)于生活質(zhì)量的要求十分迫切。人工智

2、能、 計(jì)算機(jī)、信息、控制、康復(fù)醫(yī)學(xué)工程等技術(shù)的發(fā)展，使肢體“再 造的夢(mèng)想將成為 現(xiàn)實(shí)。同時(shí)，國外智能下肢假肢產(chǎn)品的價(jià)格由于種種原因，與國內(nèi)殘疾人整體的可接 受范圍相距甚遠(yuǎn)，完全依靠國外產(chǎn)品滿足國內(nèi)殘疾人的需要，在近期希望渺茫。將當(dāng)代先進(jìn)的智能控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、機(jī)械設(shè)計(jì)與制造技 術(shù)、新材料技術(shù)與生物醫(yī)學(xué)工程和康復(fù)醫(yī)學(xué)工程技術(shù)融合在一起，研究真正意義上 的智能下肢假肢，使截肢者能以極為接近正常人的自然步態(tài)行走，這對(duì)于幫助 他們 重新回歸社會(huì)主流、象正常人一樣生活、學(xué)習(xí)和工作，對(duì)減輕社會(huì)負(fù)擔(dān)，同 時(shí)對(duì)填補(bǔ) 我國在此研究領(lǐng)域的空白、對(duì)促進(jìn)我國康復(fù)醫(yī)學(xué)工程技術(shù)的發(fā)展無疑都 具有極其重 要

3、的意義。2假肢國內(nèi)外發(fā)展概況國內(nèi)從上一世紀(jì)八十年代初開始在假肢的研究方面也取得了很好的成績(jī)。清 華 大學(xué)精密儀器與機(jī)械學(xué)系的金德聞、張培玉、張濟(jì)川、王人成、黃昌華等學(xué)者、教 授在這方面做了很多開創(chuàng)性的工作。他們采用最優(yōu)化方法設(shè)計(jì)了一種六連桿假 肢膝 關(guān)節(jié)，該膝關(guān)節(jié)在支撐期保持穩(wěn)定性的同時(shí)，在擺動(dòng)期內(nèi)膝關(guān)節(jié)和踩關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌 跡，以及大腿和小腿之間的角度變化關(guān)系相對(duì)于正常人都具有很好的逼近 效果，能有 效改善截肢者的步態(tài)。而且清華大學(xué)在利用大腿肌肉的肌電信號(hào)識(shí)別 不同路況（包 括上，下坡道，,下樓梯）方面取得了成功，從而為發(fā)展具有路況 識(shí)別功能的智 能假肢打下基礎(chǔ)。目前與歐美、日本和臺(tái)灣等發(fā)達(dá)國家

4、和地區(qū)相比存在相當(dāng)大的差距，從事這 一領(lǐng)域研究和開發(fā)的大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)相對(duì)較少，我國假肢生產(chǎn)行業(yè)相關(guān)產(chǎn)業(yè)同歐美 和日本相比整體上大約落后20年，各大假肢生產(chǎn)廠家目前的主要產(chǎn)品仍然停 留在諸 如游動(dòng)式定摩擦膝關(guān)節(jié)、帶手動(dòng)鎖定裝置的膝關(guān)節(jié)、游動(dòng)式復(fù)合制動(dòng)膝關(guān)節(jié)，單軸 式、多軸式及固定式假腳等，還沒有企業(yè)能研制生產(chǎn)具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的智能假肢 產(chǎn)品。從事智能型假肢的研究工作，其目的和意義有兩個(gè)：第一是要將智能控制技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、機(jī)械設(shè)計(jì)與制造、生物醫(yī)學(xué)工 程和 康復(fù)醫(yī)學(xué)工程等技術(shù)結(jié)合在一起，研制并開發(fā)出智能型機(jī)電假肢，使截肢者 能以極 其自然的步態(tài)行走，對(duì)于殘疾人回歸社會(huì)生活及改善生活

5、質(zhì)量具有決定作用，有著 重大的社會(huì)意義。第二是希望將所研究成果盡快轉(zhuǎn)化為商品，以縮短我國假肢生產(chǎn) 企業(yè)與國外先進(jìn)水平差距，幫助該行業(yè)形成較大的規(guī)模經(jīng)濟(jì)，推動(dòng)我國假肢生產(chǎn)行 業(yè)的發(fā)展。90年代初至今這一時(shí)期國外假肢研究的最大進(jìn)展是英國和日本，他們率先將微 電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)與康復(fù)醫(yī)學(xué)工程技術(shù)融合在一起，相繼研制出了智能型 的假肢并已大量投入臨床應(yīng)用。九十年代初以前研制的假肢存在這樣一個(gè)問題：假肢的步行速度不能自然、隨 意地跟隨截肢者步行速度的變化而變化，不能滿足截肢者希望在較大步速范圍內(nèi)變 速行走以提高步行靈活性的需要。在這種情況下，截肢者只能以與假肢固定 擺速相 匹配的步速行走，過快或過

6、慢都將導(dǎo)致健康腿與假肢步行的對(duì)稱性受到嚴(yán) 重破壞， 使截肢者更容易感覺疲勞。為解決這一問題，以前主要通過用手指調(diào)整 安裝在氣缸 或油缸上特定部位的調(diào)整螺釘，改變缸內(nèi)節(jié)流閥的開度，使之與期望的步速相對(duì) 應(yīng)。但這種方法由于每次改變步速都需要用手指調(diào)整螺釘，結(jié)果使步 行這一本來是 無意識(shí)的運(yùn)動(dòng)變成了有意識(shí)地進(jìn)行改變的運(yùn)動(dòng)為了徹底解決上述問題，1986年，日本的中川昭夫首次構(gòu)想出基于微處理器的 氣動(dòng)式擺動(dòng)相控制膝關(guān)節(jié)，并在1989年向全世界公開了該項(xiàng)技術(shù)。1990年，英國 布萊切福特公司獲得公司獲得了這一技術(shù)許可，由其資深工程師Saeed Zahedi研制 出了世界上第一個(gè)智能假肢I(xiàn)P （Intel

7、I igent Prosthesis）,該公司在1993年將IP 投 放市場(chǎng)。1995年Zahedi又在IP的基礎(chǔ) 上研制出性能更完善的智能 假肢I(xiàn)P+（InteI I igent Prosthesis Plus）。此外，日本的 Nabco Ltd公司也在 1994 年研 制出結(jié) 構(gòu)類似于IP+的智能假肢Nl-C1（圖1）。目前國際上已開發(fā)出的商業(yè)智 能膝關(guān)節(jié)假肢產(chǎn)品有Otto Bock的C-Leg、英國布萊切福特公司研制的第二代自適應(yīng) 仿生人 工腿ADAPT IVE2和第三代全智能假肢Smart IP （Smart Intell igent Prosthesis）和 Ossur 公司的 Sm

8、art Magetix Knee 等（圖 2）,其中 Ossur 公司的 Smart Magetix Knee （圖3）的膝關(guān)節(jié)力矩控制采用的就是磁流變阻尼器。這三種智能假肢有一些共同特點(diǎn)：第一，膝關(guān)節(jié)都是單軸型；第二，腿直立期都采用負(fù)荷制動(dòng)式控制方法；第三，腿擺動(dòng)時(shí)都采用氣壓控制方式；第四，膝關(guān)節(jié) 的彎曲和伸展速度基本上都能跟隨截肢者步行速度的變化而變化，較好地解決了以 前研制的假肢所面臨的這一難題，這是智能假肢所具有的最優(yōu)秀的特點(diǎn)。智能假肢與以前研制的假肢最大的不同之處在于其膝關(guān)節(jié)彎曲和伸展的控 制o在智能假肢的膝關(guān)節(jié)內(nèi)裝有步速傳感器、尾部帶有小型電機(jī)的差動(dòng)式單級(jí)空壓氣缸、微處理器以及電池

9、等。步速傳感器能實(shí)時(shí)檢測(cè)出步行速度（以步行周期的形式表示）?？諌簹飧孜膊康碾姍C(jī)可以控制氣缸內(nèi)一個(gè)針閥（節(jié)流閥）的開度，通過改變閥門開度可以調(diào)節(jié)膝關(guān)節(jié)彎曲和伸展的阻尼，從而達(dá)到改變膝關(guān)節(jié)彎 曲和伸展速度的目的。IP+和Nl-C1兩種智能假肢都可以為截肢者提供五種速度 選擇，并能自動(dòng)糾正步態(tài)的偏差，減少行走的不適。5(a)圖1 (a)英國布萊切福特公司研制(b)IP+ (b)H本Nabco Ltd.公司研制的Nl(a) (b) (c)圖2 (a)英國布萊切福特公司研制的自適應(yīng)仿生人工腿ADAPTIVE2，(b)英國布萊切福特公司研制的自適應(yīng)仿生人工腿Smart IP, (c) Otto Bock公

10、司研制的C-Leg智能假肢 當(dāng)其電池電壓過低或微處理器出現(xiàn)故障時(shí)，電機(jī)將停止工作，但此 時(shí)閥門的開度仍 被維持，所以截肢者仍能按一定速度行走。針閥只在步速變化時(shí)才會(huì)動(dòng)作。以固定 速度行走時(shí)(允許有小幅波動(dòng))，電機(jī)不會(huì)消耗電能。IP+和NI-C1都是使用小 型鏗電池供電，電池壽命會(huì)因使用者的步行量、步速變化的頻率不同有所差異，一般 為一年左右。智能腿是目前唯一能夠覆蓋從慢到非?？斓妮^寬步速范圍的假肢，某些截肢 者 使用智能腿后能夠?qū)崿F(xiàn)120米/分鐘左右這樣一種接近跑步的速度。需要著重指出的是，英國和日本研制的IP, IP+和NI - C111并非真正意義 上的“智能假肢。它們之所以被業(yè)界稱之為智

11、能假肢，是因?yàn)樵谄湓O(shè)計(jì)中首次引入 了微處理器芯片以及步速傳感器，使其與以前的純機(jī)械式假肢相比具有了自動(dòng)調(diào)整 步速的能力。但是，其調(diào)整步速用的控制器采用的是開環(huán)結(jié)構(gòu)，無法確保 位置控制 量（氣缸內(nèi)針閥開度）的實(shí)際值與期望值準(zhǔn)確相等，控制精度不高，并且控制器中 也未采用任何智能算法。所以，如果把這些假肢稱作為機(jī)電假肢更為合適。另外據(jù)報(bào)道，近幾年英國布萊切福特公司以及德國奧托搏克公司又研制出智能 仿生假肢C-Lego智能仿生假肢是第三代，也是當(dāng)今世界最新型的智能假肢，它主要 有以下特點(diǎn)：第一是它可即時(shí)探測(cè)到患者以不同速度行走、上下坡、上下樓梯、絆腳 要摔跤等不同的行走方式和行走狀態(tài)，并據(jù)此迅速做出反應(yīng)，給假肢以恰當(dāng)?shù)目刂?和支持，讓其智能跟隨模仿健側(cè)肢運(yùn)動(dòng)，使患者可象正常人一樣行走與站立；第二 是新型的力傳感器與速度傳感器