截肢患者的“原力觉醒”

2018年01月05日 南方都市报 记者 王道斌 谭庆驹 通讯员 黄黎锋

刘先生控制仿生手在电脑键盘上敲下自己的名字。

刘先生控制仿生手在电脑键盘上敲下自己的名字。

1月3日,广东省工伤康复中心里,刘先生在演示其新安装的五指联动智能仿生手。

1月3日,广东省工伤康复中心里,刘先生在演示其新安装的五指联动智能仿生手。

一场工伤事故,30多岁的刘先生,成了一个没有了四肢的残疾人。右臂肘关节以上没有了,左臂肘关节之前部分被截断,膝关节以下离断……他用了差不多三年的时间来康复、训练,适应各种各样的假肢,直到2018年,他成了广东省工伤康复医院里第一个用上五指联动智能仿生手的截肢伤者。

而这只手和左臂的残端连接在一起后,他通过大脑发出指令,五个手指和手掌就能完成握、扣、叩、捏、托、抓、敲等16种简单动作。而在熟练掌握了这些动作后,将这些动作组合起来,又能组成一些精细的手部动作。“这种五指联动智能仿生手远比单纯的假肢要灵活许多,通过训练,仅凭这只假手,伤残者是能部分恢复生活自理能力的,更为关键的是,假肢接收的是大脑的指令”,广东省工伤康复医院假肢矫形师艾旺宪表示,这就类似于好莱坞电影《星球大战》里绝地武士用原力去驱使光剑,又好比武侠片中高手凭意念去操纵兵器。

训练用意念操控假肢

在2018年元旦假期后安装上假肢之后,刘先生一直在努力地训练用意念操控假肢。“目前能够做到的,就是自如地握起水杯,用一根手指敲击键盘、敲门等动作”,刘先生现场向南都记者演示了这些动作,运用这只假手,他很快就做出了一个一指禅动作,然后用这个手指在电脑上敲击出了自己的名字。这至少解决了去银行按密码的问题。“因为四肢都被截断,无法按密码、签名,他一度连丢失的银行卡都无法补办”,一旁的刘太太告诉南都记者。

而类似一指禅这样的动作,这只假肢能够完成16种。而根据不同的模式选择,假肢能在单一模式下完成八种动作。“这些动作包括握笔、叩击,操控鼠标,拿钥匙、抓牙刷、提拉东西等。”艾旺宪表示,手部的精细动作千变万化,假肢肯定没办法完全做到。但是伤残者在熟练掌握了这些基本自理所需的动作后,通过组合是能够演变出一些其他的精细动作的。

“这个假肢只是在指、掌之间安装了微马达,每个手指上的关节处并没有安装马达,手腕部位也没有安装。安装了这些微马达后,假肢的活动能力是会更为精细的。”

仿生手再逼真也是个假肢

艾旺宪表示,患者残肢肌肉收缩时会发生复杂的生化反应,在皮肤表面产生可被测取的微小电位差。这种肌电电位差信号传递到微感器,经电极中的放大器进行放大,成为控制信号。输入微电脑,再由微电脑发出活动指令,通过微型马达等驱动系统带动义肢指骨关节张合。装配电子手的关键在于从残肢皮肤表面,找出产生最强肌电电压信号的两个点,并测出这两点上的电压值。同时根据患者的残肢情况通过肌电训练仪训练残肢按活动意图有规律地收缩,从而以残肢肌肉的不同运动形式有效地控制和操纵义肢指骨关节的张合,并以动态调节器自动调节义手握力的大小及开闭的速度。

由于目前捕捉类似肌电电位差的传感器,还是无法做到和人类神经一样的灵敏。加之假肢的手指、手掌的仿生程度、活动能力所限,目前的仿生假肢还是无法去完成诸如五个手指都动用上的弹钢琴动作。别说弹钢琴这样的动作,假设一个双手残疾的人双手都装上了高仿真度的假臂。安装者要通过大脑的意念来让这两只假手玩剪刀、石头、布的游戏,都是一个非常困难的事情。而且,仿生手做得再逼真,它也是个假肢,它没有触觉、甚至没有感觉。

揭秘

肌电信号构成肢残者的“原力”

人体的活动,是受大脑以及由大脑发出的神经系统进行操控。类似的神经纤维密布于从头顶到指端的体内。也正是由于这条神经网络的存在,大脑的指令能够被最远端的手指所感受到,并配合做出相应的动作。但对于肢体残疾的伤患而言,他的神经网络从截肢部位就“掉线”了,而受神经网络支配的肢体如手、脚等,也就不存在了。伤患即便发出了动手指的指令,也因为网络“掉线”和手指已不存在而最远只能发送到残肢的最末端。

如果是一个常人发出的动手指指令,手指运动并不只是简单的手掌、手指部肌肉的工作,连接手掌的手臂肌肉也会有一些细微的配合动作。而对于失去手臂的肢残人士而言,这个动手指的指令,已无法控制手指运动,也没有了手指去运动,但这个命令却能控制残端肢体的肌肉去进行一些细微的动作。因此肢残的截肢者,还是发出动手指的指令,由神经支配残肢肌肉收缩,产生表皮肌电信号,控制假手的动作,从而实现大脑的直接控制,使仿生假肢近似人体的一部分。
假肢进化史

从单纯装饰性到开始能够接受指令

因为战争、灾难、意外、疾病等诸多因素,自古以来就不乏完全截断了手、脚的肢残人士。为了解决肢残伤患的需要,人们在非常久远的古代,就发明了木制的假手、假脚。但这类假肢,更多起到的是装饰性作用,没有太多的实际功能。一旦手掌部位被截断,伤患就无法利用假肢来完成一些精细的动作。“这种纯粹解决外观问题的假手,目前也还在继续应用,只是材料变成了更逼真、舒适的硅胶、PVC材料。价钱不便宜,唯一的功能就是给伤残截肢者一个用来看的摆设”,艾旺宪表示。

看起来美观,并不能解决伤患的实际问题。于是一些假手,被设计成了钩子、夹子。毕竟有了一个钩子后,伤患能够钩拉东西,也能使伤患恢复一定的劳动能力。上世纪两次世界大战后,经济发达的欧洲地区出现了数量庞大的肢残人士。英国等国家开始非常关注假肢的发展,并开始兼顾假肢的功能和美观。

上世纪50年代开始,假肢生产商开始在假肢的手掌里安装一个机械马达,能够让假肢的拇指、食指、中指三个指头之间形成简单的张合。别小看这样一个简单的张合动作,它让肢残人士有了“握”这样一个简单的动作后,原本完全不能自理的生活,就有了明显的变化。“这种假肢是传统的机械式三指张合假肢,驱动它张合的,其实已经有了 原力 的概念,因为装上假肢后,伤患也是通过大脑发出张合的意念,然后这种意念发送到肢体残端,在残端形成电位差。”这种毫厘级别的微弱肌电电位差在被假肢捕捉,放大,传导后,让马达开动起来驱动关节张合。类似的假肢,目前我国已经实现了国产化,因为涉及传感器、微小马达、假肢材料等因素,价钱仍然需要好几万元。但已经远比进口假肢要便宜了。

科技日益进步,捕捉细微电位差的设备、传感器,能够更加灵活、敏锐。而安装在假肢关节处的微小马达,可以做得更加精细。于是在一个手掌上安装更多的微小马达就变成了可能。进入21世纪后,更加仿生的假肢开始陆续被研发出来。以刘先生安装的五指联动智能仿生手为例,其每根手指和手指之间的连接处都安装了微马达,这使得每个手指都能自如地活动,并组合成一些手部精细动作。

(责任编辑  许建香)

2018-01-05

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