假肢研究背景与发展现状

假肢研究背景与发显现状1假肢研究背景12假肢国内外发展概略1假肢研究背景从古到今，成千上万万人因为战争、疾病、工伤、交通事故及不测损害而被截肢。特别是最近几年来，跟着工业、交通事业的快速发展，这一数字正以惊人的速度增添。依据全国残疾人抽样检查结果显示，当前我国现有肢体残疾人约6000万，此中下肢残疾者达到600万。一项研究表示仅美国每年就有近11万人失掉下肢，关于他们来说因为失掉了人类最基本的行走功能，拥有一具控制自如的假肢是一件朝思暮想的事情，这类假肢将成为人体的一部分而不只是是身体的隶属品。跟着经济的发展我国人民生活水平的提升，残疾人关于生活质量的要求十分急迫。人工智能、计算机、信息、控制、痊愈医学工程等技术的发展，使肢体“再造”的梦想将成为现实。同时，外国智能下肢假肢产品的价钱因为各种原由，与国内残疾人整体的可接受范围相距甚远，完整依赖外国产品知足国内残疾人的需要,在近期希望迷茫。将今世先进的智能控制技术、计算机技术、微电子技术、机械设计与制造技术、新资料技术与生物医学工程和痊愈医学工程技术交融在一同，研究真实意义上的智能下肢假肢，使截肢者能以极为靠近正常人的自然步态行走，这关于帮助他们从头回归社会主流、象正常人同样生活、学习和工作，对减少社会负担，同时对填充我国在此研究领域的空白、对促使我国痊愈医学工程技术的发展无疑都拥有极其重要的意义。假肢国内外发展概略国内从上一世纪八十年月初开始在假肢的研究方面也获得了很好的成绩。清华大学精细仪器与机械学系的金德闻、张培玉、张济川、王人成、黄昌华等学者、1教授在这方面做了好多创始性的工作。他们采纳最优化方法设计了一种六连杆假肢膝关节，该膝关节在支撑期保持稳固性的同时，在摇动期内膝关节和踩关节的运动轨迹，以及大腿和小腿之间的角度变化关系有关于正常人都拥有很好的迫近成效，能有效改良截肢者的步态。并且清华大学在利用大腿肌肉的肌电信号辨别不一样路况(包含上，下坡道，上，下楼梯)方面获得了成功，进而为发展拥有路况辨别功能的智能假肢打下基础。当前与欧美、日本和台湾等发达国家和地域对比存在相当大的差距，从事这一领域研究和开发的大学和科研机构相对较少，我国假肢生产行业有关家产同欧美和日真对比整体上大概落伍20年，各大假肢生产厂家当前的主要产品仍旧逗留在诸如游动式定摩擦膝关节、带手动锁定装置的膝关节、游动式复合制动膝关节，单轴式、多轴式及固定式假脚等，还没有公司能研制生产拥有独立知识产权的智能假肢产品。从事智能型假肢的研究工作，其目的和意义有两个:第一是要将智能控制技术、微电子技术、计算机控制技术、机械设计与制造、生物医学工程和痊愈医学工程等技术联合在一同，研制并开发出智能型机电假肢，使截肢者能以极其自然的步态行走，关于残疾人回归社会生活及改良生活质量拥有决定作用，有侧重要的社会心义。第二是希望将所研究成就赶快转变为商品，以缩短我国假肢生产公司与外国先进水平差距，帮助该行业形成较大的规模经济，推进我国假肢生产行业的发展。年月初到现在这一时期外国假肢研究的最大进展是英国和日本，他们抢先将微电子技术、计算机控制技术与痊愈医学工程技术交融在一同，接踵研制出了智能型的假肢并.已大批投入临床应用。九十年月初从前研制的假肢存在这样一个问题:假肢的步行速度不可以自然、任意地跟从截肢者步行速度的变化而变化，不可以知足截肢者希望在较大步速范围内变速行走以提升步行灵巧性的需要。在这类状况下，截肢者只好以与假肢固定摆速相般配的步速行走，过快或过慢都将致使健康腿与假肢步行的对称性遇到严重损坏，使截肢者更简单感觉疲惫。为解决这一问题，从前主要经过用手指调整安装在气缸或油缸上特定部位的调整螺钉，改变缸内节流阀的开度，使之与希望的步速相对应。但这类方法因为每次改变步速都需要用手指调整螺钉，结果使步行这一原来是无心识的运动变为了存心识地进行改变的运动为了完全解决上述问题，1986年，日本的中川昭夫初次构思出鉴于微办理器2的气动式摇动相控制膝关节，并在1989年向全球公然了该项技术。1990年，英国布莱切福特公司获取公司获取了这一技术同意，由其资深工程师SacedZahedi研制出了世界上第一个智能假肢IP(IntelligentProsthesis),该公司在1993年将IP投放市场。1995年Zahedi又在IP的基础上研制出性能更完善的智能假肢IP+(IntelligentProsthesisPlus)。别的，日本的NabcoLtd.公司也在1994年研制出结构近似于IP+的智能假肢NI-C111(图1)。当前国际上已开发出的商业智能膝关节假肢产品有OttoBock的C-Leg、英国布莱切福特公司研制的第二代自适应仿生人工腿ADAPTIVE2和第三代全智能假肢SmartIP(SmartIntelligentProsthesis)和Ossur公司的SmartMagetixKnee等(图2)，此中Ossur公司的SmartMagetixKnee(图3)的膝关节力矩控制采纳的就是磁流变阻尼器。这三种智能假肢有一些共同特色:第一，膝关节都是单轴型;第二，腿直立期都采纳负荷制动式控制方法;第三，腿摇动时都采纳气压控制方式;第四，膝关节的曲折和伸展速度基本上都能跟从截肢者步行速度的变化而变化，较好地解决了从前研制的假肢所面对的这一难题，这是智能假肢所拥有的最优异的特色。智能假肢与从前研制的假肢最大的不一样之处在于其膝关节曲折和伸展的控制上。在智能假肢的膝关节内装有步速传感器、尾部带有小型电机的差动式单级空压气缸、微办理器以及电池等。步速传感器能及时检测出步行速度(以步行周期的形式表示)。空压气缸尾部的电机能够控制气缸内一个针阀(节流阀)的开度，经过改变阀门开度能够调理膝关节曲折和伸展的阻尼，进而达到改变膝关节曲折和伸展速度的目的。IP+和NI-C111两种智能假肢都能够为截肢者供给五种速度选择，并能自动纠正步态的误差，减少行走的不适。3(a)(b)图1(a)英国布莱切福特公司研制的IP+，(b)日本NabcoLtd.公司研制的NI-C111(a)(b)(c)图2(a)英国布莱切福特公司研制的自适应仿生人工腿ADAPTIVE2，(b)英国布莱切福特公司研制的自适应仿生人工腿SmartIP，(c)OttoBock公司研制的C-Leg智能假肢当其电池电压过低或微办理器出现故障时，电机将停止工作，但此时阀门的开度仍被保持，因此截肢者还能按必定速度行走。针阀只在步速变化时才会动作。以固定速度行走时(同意有小幅颠簸)，电机不会耗费电能。IP+和NI-C111都是使用小型铿电池供电，电池寿命会因使用者的步行量、步速变化的频次不一样有所差别，一般为一年左右。智能腿是当前独一能够覆盖从慢到特别快的较宽步速范围的假肢，某些截肢者使用智能腿后能够实现120米/分钟左右这样一种靠近跑步的速度。4需要侧重指出的是，英国和日本研制的IP,IP+和NI一C111并不是真实意义上的“智能”假肢。它们之因此被业界称之为智能假肢，是因为在其设计中初次引入了微办理器芯片以及步速传感器，使其与从前的纯机械式假肢对比拥有了自动调整步速的能力。可是，其调整步速用的控制器采纳的是开环构造，没法保证地点控制量(气缸内针阀开度)的实质值与希望值正确相等，控制精度不高，并且控制器中也未采纳任何智能算法。因此，假如把这些假肢称作为机电假肢更加适合。此外据报导，近几年英国布莱切福特公司以及德国奥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，也是现在世界最新式的智能假肢，它主要有以下特色:第一是它可即时探测到患者以不一样速度行走、上下坡、上下楼梯、绊脚要摔交等不一样的行走方式和行走状态，并据此快速做出反响，给假肢以适合的控制和支持，让其智能跟从模拟健侧肢运动，使患者可象正常人同样行走与站立;第二是新式的力传感器与速度传感器组合