现代假肢的技术特点与发展趋势

现代假肢的技术特点与发展趋势[摘要]简略回顾了传统假肢的概况，概述了现代假肢技术的基本特点，并展望了其未来的发展趋势。

[关键词]传统假肢现代假肢假肢，又称义肢，是人体截肢后用于代偿缺损肢体的人工体外装置,分为上肢假肢和下肢假肢两大类。

传统假肢的主要材料，下肢假肢以铝质材料为主，也有少量木制和皮制的；上肢假肢则以塑料为主材；基本结构，可分五大部分：接受腔（即容纳残肢的外形类似残肢的筒状部分）、悬吊装置（由皮套皮带及金属部件组成，用以将假肢固定于患者残肢之上而不会脱落的装置）、人工关节（包括髋膝踝关节或臂肘腕关节）、假脚（假手指）及连接件。

制作方式主要是手工敲制卯接而成。

随着现代科学的高速发展，作为康复工程学组成部分的假肢和假肢学也得到了相应的发展和进步。

20世纪70年代以来，包括我国在内的世界假肢技术在制作工艺、制作材料、结构造型上均出现了一系列革命性的变化。

现以下肢假肢为主，概述现代假肢技术的基本特点：一、人体力学的接受腔设计接受腔是指假肢上端容纳残肢的部分，它是人机的接口界面，主要起承担体重、悬吊假肢并控制假肢运动的作用，对于假肢的舒适性、安全性及使用效果具有直接影响。

传统假肢的接受腔是插入式和开放式的，其残肢与接受腔的接触面和承重面都很小，并易产生活塞运动，导致残肢容易磨破和萎缩。

近年来，在接受腔的设计上更符合人体解剖学和生物力学：小腿假肢采用膑韧带承重，大腿假肢采用坐骨承重，残肢与封闭式的接受腔全接触。

因此，残肢承重合理、穿戴舒适、悬吊能力强，减少了活塞运动，提高了假肢的稳定性和支配假肢运动的能力。

在接受腔的制作工艺上也有了新的突破：接受腔广泛采用合成树脂增强材料和真空成型技术，提高了接受腔制作的精确性，减轻了重量，并实现了接受腔与假肢其它部件的分离，便于假肢的组件化生产。

二、改革一新的悬吊方式传统假肢是插入式结构，其与残肢的连接完全依靠复杂笨重的悬吊装置才能奏效，否则一抬腿假肢就会脱落。

而现代假肢采用了全接触式的符合人体解剖形态的设计，小腿假肢的接受腔口型利用了膝关节的突起部分，一般不需悬吊装置即可固定；而大腿假肢由于残肢肌肉一般都较丰满，其接受腔可形成负压空间，患者也完全不用悬吊装置即可穿戴，这即“吸着式”大腿假肢。

悬吊方式的改革，不仅大大减轻了假肢的重量，减少了假肢行走时活塞运动对残肢产生的磨擦，也使残肢免除了悬吊装置的束缚，有助于残肢的血液循环，有效避免了穿戴传统假肢后导致残肢肌肉急剧萎缩的不良后果。

当然，对于少数畸形或过短的残肢，仍需一定的辅助悬吊装置。

三、美观仿真的整体结构传统假肢主要由接受腔、悬吊装置、铝质或木质腿筒、金属关节（膝、踝关节）和木制假脚构成。

其假肢外形是壳式筒状结构，大多采用薄铝板敲制成中空的外表似腿形的筒状物，不仅外形粗糙，而且只能局限手工制作，不适合现代工业的机械化、标准化生产。

现代假肢则采取了仿生的骨骼式结构，即模仿了人的肢体内有坚硬骨骼支撑外有柔软肌肉保护的结构形态。

它的“骨骼”就是起连接作用的金属管，它的“肌肉”就是外装饰的泡沫海绵，再加上肉色丝袜，使假肢的外表看上去酷似真腿，完全达到以假乱真的效果，女性患者即使穿裙子也毫不露怯。

骨骼式结构一方面使假肢外形大为改观，几可与健肢媲美；另一方面也使传统假肢的一体化结构转变为组合式结构，即假肢可分为接受腔、膝踝关节、假脚及连接件四大部分分别制作，最后再组装到一块。

组合式的结构实现了假肢零部件的工业化、组件化、系列化生产，大大提高了假肢的制作速度和生产效率，使传统的手工作坊式的生产方式向现代化工业化生产方式转变。

由于骨骼式结构假肢的接受腔与假肢体是分离的，同时假肢的关节实现了系列化设计，具有多种型号可供选择，因此，从理论上说，现代假肢可适合任何平面的截肢。

但从患者使用的角度来考虑，由于长残肢相应具有较好的杠杆作用，在支配假肢时将较为省力，因此在可选择的条件下，还是尽可能地保留残肢的长度为宜。

四、仿生新颖的人工关节假肢的人工关节，特别是膝关节是假肢最复杂的部件，也是假肢功能多寡优劣的关键所在。

众多的假肢厂商对此下了很大功夫，设计出花样繁多的膝关节：材料上，有普碳钢、不锈钢的，有铝合金的、钛合金的，还有高强度轻质量的碳纤维复合材料的等等；结构上，有单轴的、四连杆的、多轴的，还有能控制假肢行走步态的气压或液压装置的……新型膝关节的出现，大大提高了假肢的稳定性和安全性，使行走步态更接近正常人。

不同结构、不同材料的膝关节是造成假肢不同的使用效果、不同的功能大小的关键条件，也是造成假肢的不同档次、不同费用的主要因素。

在踝关节的设计上也由过去的单向运动（趾跗方向）改变为可同时实现侧向运动，称之为“万向脚”，以适应截肢者在不平路面的行走和活动量较大的运动。

而应用新型的碳纤维增强材料制作的假脚,由于其具有高弹性高强度的优越性能，从而出现了一种完全新型的假脚“储能脚”。

这种假脚可以在脚着地阶段储存能量而在抬脚时释放能量,使患者行走时较为省力,步态较为轻松；同时其良好的弹性和活动性,使其可以代替踝关节的作用,故又称为“无关节假脚”。

进入21世纪以来，伴随着高科技技术的迅猛发展，现代假肢技术也得到令人振奋的提高，其发展趋势主要表现在以下几个方面：（一）理论研究数字化当前，假肢的基础理论研究的焦点主要集中在接受腔的口型、接受腔的受力分析及下肢假肢的步态分析等方面。

这些方面的研究成果对不断改进接受腔结构的合理性科学性、对下肢假肢人工关节功能的改善提高均具有重大指导作用。

而现代数字化技术的高速发展和普及应用，无疑为上述领域的研究增添了利器。

运用扫描仪和传感器作为数据输入工具，运用计算机相应软件建立的接受腔及假肢的三维立体模型，可以直观地表现接受腔、假肢的受力状态，动态地分析其行走步态。

（二）控制智能化这可以说是当前假肢技术的最热门的研究方向。

长期以来，截肢者在使用假肢的行走时，一直是依赖于残肢自身摆动所产生的惯性来带动假肢的向前运动，其摆动的速度、幅度均难以控制，造成假肢的行走步态明显与健肢不同，同时也要比健肢消耗更多的体能。

为彻底改变这一弊端，在最新型的人工膝关节中，已经利用现代数字化控制的最新技术，装上了电脑芯片和传感器。

德国奥托博克公司（OTTOB0CK）开发的C-Leg智能仿生腿即是装有电子微处理器控制液压装置膝关节的下肢假肢，其安装的传感器每秒钟收集50次信息反馈给电子微处理器，可在瞬间计算出相关数据，分析归纳整理信息，并发出相应指令，膝关节在任何时间点都可以准确地感知所处的步态阶段、行走速度及地面状况，从而控制整个行走过程中假肢的运动状态，使其与健肢同步，同时也使截肢者不但能够在凹凸不平的路面行走，而且可以轻松地上下坡和台阶。

特别是C-Leg假肢具有“防跌功能”：患者在行走时如突然遇到障碍物导致膝关节屈膝而将绊倒时，C-Leg 假肢可以在瞬间锁定膝关节，从而保证了患者行走的安全性。

冰岛奥索公司(OSSUR)和美国汉尔整形外科服务公司(Hanger Orthopedic Group)最近共同研制的世界上第一种自带电能的Power Knee动力智能假肢与C-Leg有异曲同工之妙，《科学》杂志把它比作是“装上了大脑的假肢”。

除了同样具有智能控制功能之外，该假肢的独特之处是它由传统假肢利用惯性作用被动地摆动行走变为使用假肢的自身电力主动运动。

穿上这种假肢的患者可以按正常人的方式双腿交替快速登上相当于二层楼的楼梯（传统假肢的上楼动作只能是用先上健肢再带动假肢的“挪动”步态）。

仿生智能动力假腿重6公斤，由电池提供能量，每充一次电可连续在平地行走3小时。

患者行走时动作自然，并不感到十分沉重。

（三）穿着舒适化近年来，硅胶材料的广泛应用，使假肢接受腔的舒适性大为改善。

由于硅胶具有的良好的弹性、柔软性和生物相容性，残肢穿上这种硅胶内衬套后再纳入假肢的接受腔中，不仅有了穿着的舒适感，还大大减少了残肢与假肢接受腔之间的磨擦，提供了更为稳固的悬吊和极好的减震作用，也增强了残肢对假肢的控制能力。

此外，有的硅胶套还含有生物活性成份，对皮肤具有保养、滋润作用，被誉为残肢的”第二皮肤”。

这种硅胶材料也已用于制作假手套，使假手看起来更有肉感、更逼真。

它也可望用于制成“人造皮肤”，使假肢的外表与人体皮肤无异。

（四）制作自动化由于假肢具有因人而异、因“肢”而异的特点，因此长期以来，传统假肢的制作完全依赖手工制作，导致生产周期长、生产效率低、成本昂贵。

现代科学技术的发展，计算机技术的普及，为假肢制作的自动化创造了条件。

20世纪90年代，美德等国将CAD/CAM系统（计算机辅助设计与制造系统）应用于假肢制造，研制开发了制作假肢接受腔的一整套软件与硬件系统，并可实现远程联网操作。

该系统的使用程序是：使用红外线等非接触式扫描工具，将患者残肢的形状、围长等必要数据扫描后输入计算机运行计算机上的接受腔修型系统软件自动显示该残肢的三维立体影像假肢制作师运用该软件直接在此数字模型上进行加工修改至符合需要的形状将此确认的模型数据输入到数控铣床上数控铣床把硬泡沫毛坯切削加工成符合设计要求的残肢模型将此残肢模型外表套上增强纤维材料后送入封闭的真空成型箱内浇灌树脂进行抽真空固化成型假肢接受腔制作成功。

上述过程可在2-3小时内完成，而手工制作则需一整天。

（五）结构仿生化随着生物工程技术、人工智能技术、传感器技术的高速发展，假肢技术、特别是上肢假肢技术成为最有希望取得重大突破的领域。

其努力方向，一是由肌电控制变为神经控制，二是假手要实现人手的多个自由度（多关节）的结构，三是具有人手的感觉反馈系统，包括触觉、握力感等。

芝加哥大学康复研究所已开发出用真正用大脑思维控制的假手。

使用者只须想一个动作，这个约5.4千克的机械手臂的电极就会截获神经信号，然后迅速传递经假肢内的电脑芯片，操纵由6个电机驱动的肩膀、肘部和手公平完成这一动作。

自颈椎以下瘫痪的美国男子纳格尔借助这个假肢已在9个月中学会了通过思维打开电视机、使用电脑发邮件、打游戏等。

2006年4月15日双腿截肢的新西兰人马克·英格里斯创造了一个奇迹依靠两条假肢成功登顶珠穆朗玛峰，成为第一个登上世界最高峰的“无腿人”。

他使用的这种令人惊叹的假肢是当前世界上最新型的假肢植入式骨整合假肢。

这种假肢的结构完全颠覆了以往所有假肢的概念它不是“穿”而是“长”在截肢者的残肢上，所以它可以做健康人能做的任何运动。

这种假肢是瑞典的Branemark教授发明的。

它是将表面经过生物活化处理并采用羟基磷灰石涂层复合技术的钛合金连接件通过手术植入患者残肢骨髓内，长为一体后再将外部假肢与此连接件组合即可。

这种新概念假肢的优越性首先在于它的完全取消了假肢接受腔，从而彻底解决了传统假肢不透气、磨皮肤的弊病；同时，也使医生在截肢时不必考虑截肢平面任何长度残肢都可以安装相应的合适的假肢；最后，由于这种假肢的重力线与人体生物力线完全一致，从而能最大程度地恢复正常的下肢功能。