学术分享丨假肢手的综述（2）中国人工智能学会认知系统与信息处理专

中国人工智能学会认知系统与信息处理专业委员，主任由清华大学孙富春教授担任，秘书长由方斌担任。专委会创立了认知系统和信息处理国际会议(ICCSIP) ，同时创办了“Cognitive Computation and Systems”国际期刊。
第一次假手的应用可以追溯到第二次布匿战争早期（公元前218-201年），罗马将军马库斯·塞尔吉乌斯（Marcus Sergius）在战争中失去了右臂，他的假手臂是用铁制成的。
【学术分享丨假肢手的综述（2）】在16世纪早期，德国雇佣兵戈兹·冯·贝里辛根戴着两只假手。第一个是一个简单的装置，由一个拇指和手指连接的手套组成。手指可以向内移动，这样他就可以握紧他的剑了。另一种升级版的手可以独立移动指骨和拇指，骑士可以握住马缰，拿起羽毛笔。 16世纪中叶，法国军医Ambroise Pare发明了弹簧式假肢，手指可以用杠杆和齿轮独立操作。 Pare还开发了肘部假手上方，杠杆和链轮机构控制着屈伸。自动身体动力假肢始于18世纪的彼得·巴利夫（Peter Baliff），假肢由肩部和躯干的完整肌肉驱动，使用皮革带作为传输机制。 1911年，威廉·T·卡恩斯（William T.Carnes）发明了另一种复杂的机械假肢并获得了专利。以上假体受健康肢体或胸部的整体运动控制。
19世纪初，随着朱利亚诺·万赫蒂博士的“电影整形植入物”的问世，假手技术取得了突破，残余手臂的运动可以操作假肢。后来，在1915年，他的工作由德国外科医生费迪南德·索尔布鲁克（FerdinandSauerbruch）实施，在那里，假手由残存前臂的肌肉进行操作，手术中插入了象牙钉。 19世纪中叶，波顿缆索假肢问世，用轻便耐用的缆绳代替传统笨重的系带假肢。 1948年， Reinhold Reiter开发了第一只外接式肌电假手，它是由表面肌电信号的电压电位触发的电动机驱动的。然后在1960年，亚历山大·科布林斯基发明了第一个临床上成功的电动假手。根据Biddiss和Chau的研究，身体动力手臂的拒绝率为16-66% ，电动手臂为0-75% 。在使用肌电和身体动力之间有一个权衡。虽然肌电手可以满足美容的要求，在实验室环境下的日常生活任务活动中表现良好，但在体力劳动时，它在产汗条件下表现不佳，与身体动力手相比仍然昂贵。尽管在许多人看来，肌电手臂虽然先进，但在日常使用中仍然构成了相当大的功能障碍。肌内肌电图，即IMES被认为是一种创新的肌电图记录方法。 IME是一种电极，通过假肢插座中的电磁线圈检测肌电信号并将其传输到仿生手上，从而提供直观和稳定的控制。
随着外科技术的进步， 19世纪中叶瑞典外科医生peringvar Branemark发明了骨整合假体。然后他的儿子里卡德布兰纳马克（Rickard Branemark）将其应用于肢体截肢患者。 Ortiz Catalan等人。报道了第一个人类试验中的骨整合上臂假体，它直接附着在完整肢体的骨、神经和肌肉上。骨整合假体与表面机电插座相比，提供了更精确的电机控制和更大的运动范围。然而，这项研究仅限于一个人，因此不可能量化改善情况，从而妨碍了结果的推广。此外，骨整合有许多缺点，例如多发性软组织感染、慢性排液和骨髓炎。此外，当在非常薄的骨头（如前臂骨）中使用骨整合时，重复骨折是一个常见的问题，金属植入物也容易骨折。
2004年， TMR在上肢假体方面取得了突破性进展。利用基于TMR的上肢假体，截肢者能够改善直觉控制，因为他们提供生理上合适的肌电图信号。此外，一种称为TSR的技术有助于接收改进的体感和模态匹配反馈。骨整合和IMES与靶向神经支配的整合被证明提供了更直观的方法，消除了传统TMR的缺点，包括由于肩带和插座造成的结构缺陷，限制了可利用的活动肌肉区域。另一个突破是血管复合同种异体移植的发展，它涉及到将不同组织作为人体器官的一个功能单元进行移植。 1964年，厄瓜多尔的罗伯特·吉尔伯特博士首次尝试手移植。然而，手移植方法可能导致急性器官排斥反应和其他医疗并发症。手部假体的研究领域仍然活跃。即使是最先进的商用假肢也无法有效地克服手截肢的局限性，并导致截肢者拒绝使用假肢，主要是由于控制力、功能性和反馈的减少。目前正在进行的研究包括缓解假体效率降低的问题，主要集中在高效欠驱动设计、直观控制界面、多通道生物信号分解和多模式传感器融合、实时控制、仿生反射力和体感反馈等领域。