假肢研究背景與發(fā)展現(xiàn)狀

假肢研究背景與發(fā)顯現(xiàn)狀1假肢研究背景12假肢國(guó)內(nèi)外發(fā)展概略1假肢研究背景從古到今，成千上萬萬人因?yàn)閼?zhàn)爭(zhēng)、疾病、工傷、交通事故及不測(cè)損害而被截肢。特別是最近幾年來，跟著工業(yè)、交通事業(yè)的快速發(fā)展，這一數(shù)字正以驚人的速度增添。依據(jù)全國(guó)殘疾人抽樣檢查結(jié)果顯示，當(dāng)前我國(guó)現(xiàn)有肢體殘疾人約6000萬，此中下肢殘疾者達(dá)到600萬。一項(xiàng)研究表示僅美國(guó)每年就有近11萬人失掉下肢，關(guān)于他們來說因?yàn)槭У袅巳祟愖罨镜男凶吖δ?，擁有一具控制自如的假肢是一件朝思暮想的事情，這類假肢將成為人體的一部分而不只是是身體的隸屬品。跟著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展我國(guó)人民生活水平的提升，殘疾人關(guān)于生活質(zhì)量的要求十分急迫。人工智能、計(jì)算機(jī)、信息、控制、痊愈醫(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)，外國(guó)智能下肢假肢產(chǎn)品的價(jià)錢因?yàn)楦鞣N原由，與國(guó)內(nèi)殘疾人整體的可接受范圍相距甚遠(yuǎn)，完整依賴外國(guó)產(chǎn)品知足國(guó)內(nèi)殘疾人的需要,在近期希望迷茫。將今世先進(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)、新資料技術(shù)與生物醫(yī)學(xué)工程和痊愈醫(yī)學(xué)工程技術(shù)交融在一同，研究真實(shí)意義上的智能下肢假肢，使截肢者能以極為靠近正常人的自然步態(tài)行走，這關(guān)于幫助他們從頭回歸社會(huì)主流、象正常人同樣生活、學(xué)習(xí)和工作，對(duì)減少社會(huì)負(fù)擔(dān)，同時(shí)對(duì)填充我國(guó)在此研究領(lǐng)域的空白、對(duì)促使我國(guó)痊愈醫(yī)學(xué)工程技術(shù)的發(fā)展無疑都擁有極其重要的意義。假肢國(guó)內(nèi)外發(fā)展概略國(guó)內(nèi)從上一世紀(jì)八十年月初開始在假肢的研究方面也獲得了很好的成績(jī)。清華大學(xué)精細(xì)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、1教授在這方面做了好多創(chuàng)始性的工作。他們采納最優(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)固性的同時(shí)，在搖動(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)系有關(guān)于正常人都擁有很好的迫近成效，能有效改良截肢者的步態(tài)。并且清華大學(xué)在利用大腿肌肉的肌電信號(hào)辨別不一樣路況(包含上，下坡道，上，下樓梯)方面獲得了成功，進(jìn)而為發(fā)展擁有路況辨別功能的智能假肢打下基礎(chǔ)。當(dāng)前與歐美、日本和臺(tái)灣等發(fā)達(dá)國(guó)家和地域?qū)Ρ却嬖谙喈?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(guó)假肢生產(chǎn)行業(yè)有關(guān)家產(chǎn)同歐美和日真對(duì)比整體上大概落伍20年，各大假肢生產(chǎn)廠家當(dāng)前的主要產(chǎn)品仍舊逗留在諸如游動(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，還沒有公司能研制生產(chǎn)擁有獨(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)工程和痊愈醫(yī)學(xué)工程等技術(shù)聯(lián)合在一同，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，關(guān)于殘疾人回歸社會(huì)生活及改良生活質(zhì)量擁有決定作用，有側(cè)重要的社會(huì)心義。第二是希望將所研究成就趕快轉(zhuǎn)變?yōu)樯唐?，以縮短我國(guó)假肢生產(chǎn)公司與外國(guó)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)，推進(jìn)我國(guó)假肢生產(chǎn)行業(yè)的發(fā)展。年月初到現(xiàn)在這一時(shí)期外國(guó)假肢研究的最大進(jìn)展是英國(guó)和日本，他們搶先將微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)與痊愈醫(yī)學(xué)工程技術(shù)交融在一同，接踵研制出了智能型的假肢并.已大批投入臨床應(yīng)用。九十年月初從前研制的假肢存在這樣一個(gè)問題:假肢的步行速度不可以自然、任意地跟從截肢者步行速度的變化而變化，不可以知足截肢者希望在較大步速范圍內(nèi)變速行走以提升步行靈巧性的需要。在這類狀況下，截肢者只好以與假肢固定擺速相般配的步速行走，過快或過慢都將致使健康腿與假肢步行的對(duì)稱性遇到嚴(yán)重?fù)p壞，使截肢者更簡(jiǎn)單感覺疲憊。為解決這一問題，從前主要經(jīng)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，使之與希望的步速相對(duì)應(yīng)。但這類方法因?yàn)槊看胃淖儾剿俣夹枰檬种刚{(diào)整螺釘，結(jié)果使步行這一原來是無心識(shí)的運(yùn)動(dòng)變?yōu)榱舜嫘淖R(shí)地進(jìn)行改變的運(yùn)動(dòng)為了完全解決上述問題，1986年，日本的中川昭夫初次構(gòu)思出鑒于微辦理器2的氣動(dòng)式搖動(dòng)相控制膝關(guān)節(jié)，并在1989年向全球公然了該項(xiàng)技術(shù)。1990年，英國(guó)布萊切福特公司獲取公司獲取了這一技術(shù)同意，由其資深工程師SacedZahedi研制出了世界上第一個(gè)智能假肢I(xiàn)P(IntelligentProsthesis),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+(IntelligentProsthesisPlus)。別的，日本的NabcoLtd.公司也在1994年研制出結(jié)構(gòu)近似于IP+的智能假肢NI-C111(圖1)。當(dāng)前國(guó)際上已開發(fā)出的商業(yè)智能膝關(guān)節(jié)假肢產(chǎn)品有OttoBock的C-Leg、英國(guó)布萊切福特公司研制的第二代自適應(yīng)仿生人工腿ADAPTIVE2和第三代全智能假肢SmartIP(SmartIntelligentProsthesis)和Ossur公司的SmartMagetixKnee等(圖2)，此中Ossur公司的SmartMagetixKnee(圖3)的膝關(guān)節(jié)力矩控制采納的就是磁流變阻尼器。這三種智能假肢有一些共同特色:第一，膝關(guān)節(jié)都是單軸型;第二，腿直立期都采納負(fù)荷制動(dòng)式控制方法;第三，腿搖動(dòng)時(shí)都采納氣壓控制方式;第四，膝關(guān)節(jié)的曲折和伸展速度基本上都能跟從截肢者步行速度的變化而變化，較好地解決了從前研制的假肢所面對(duì)的這一難題，這是智能假肢所擁有的最優(yōu)異的特色。智能假肢與從前研制的假肢最大的不一樣之處在于其膝關(guān)節(jié)曲折和伸展的控制上。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、微辦理器以及電池等。步速傳感器能及時(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)能夠控制氣缸內(nèi)一個(gè)針閥(節(jié)流閥)的開度，經(jīng)過改變閥門開度能夠調(diào)理膝關(guān)節(jié)曲折和伸展的阻尼，進(jìn)而達(dá)到改變膝關(guān)節(jié)曲折和伸展速度的目的。IP+和NI-C111兩種智能假肢都能夠?yàn)榻刂吖┙o五種速度選擇，并能自動(dòng)糾正步態(tài)的誤差，減少行走的不適。3(a)(b)圖1(a)英國(guó)布萊切福特公司研制的IP+，(b)日本NabcoLtd.公司研制的NI-C111(a)(b)(c)圖2(a)英國(guó)布萊切福特公司研制的自適應(yīng)仿生人工腿ADAPTIVE2，(b)英國(guó)布萊切福特公司研制的自適應(yīng)仿生人工腿SmartIP，(c)OttoBock公司研制的C-Leg智能假肢當(dāng)其電池電壓過低或微辦理器出現(xiàn)故障時(shí)，電機(jī)將停止工作，但此時(shí)閥門的開度仍被保持，因此截肢者還能按必定速度行走。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)(同意有小幅顛簸)，電機(jī)不會(huì)耗費(fèi)電能。IP+和NI-C111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、步速變化的頻次不一樣有所差別，一般為一年左右。智能腿是當(dāng)前獨(dú)一能夠覆蓋從慢到特別快的較寬步速范圍的假肢，某些截肢者使用智能腿后能夠?qū)崿F(xiàn)120米/分鐘左右這樣一種靠近跑步的速度。4需要側(cè)重指出的是，英國(guó)和日本研制的IP,IP+和NI一C111并不是真實(shí)意義上的“智能”假肢。它們之因此被業(yè)界稱之為智能假肢，是因?yàn)樵谄湓O(shè)計(jì)中初次引入了微辦理器芯片以及步速傳感器，使其與從前的純機(jī)械式假肢對(duì)比擁有了自動(dòng)調(diào)整步速的能力。可是，其調(diào)整步速用的控制器采納的是開環(huán)構(gòu)造，沒法保證地點(diǎn)控制量(氣缸內(nèi)針閥開度)的實(shí)質(zhì)值與希望值正確相等，控制精度不高，并且控制器中也未采納任何智能算法。因此，假如把這些假肢稱作為機(jī)電假肢更加適合。此外據(jù)報(bào)導(dǎo)，近幾年英國(guó)布萊切福特公司以及德國(guó)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，也是現(xiàn)在世界最新式的智能假肢，它主要有以下特色:第一是它可即時(shí)探測(cè)到患者以不一樣速度行走、上下坡、上下樓梯、絆腳要摔交等不一樣的行走方式和行走狀態(tài)，并據(jù)此快速做出反響，給假肢以適合的控制和支持，讓其智能跟從模擬健側(cè)肢運(yùn)動(dòng)，使患者可象正常人同樣行走與站立;第二是新式的力傳感器與速度傳感器組合