肌电假肢

肌电假肢是指由大脑神经直接支配，以肌电作为控制信号的一种外动力型假肢。截肢患者残端上的肌电信号控制微型直流电动机驱动假手的各个关节机构按照自己的意志运动。由于假肢的运动直接受大脑支配，因此，这种假肢直感性强，仿生效果好，比传统牵引式假肢和开关电动式假肢功能完善，穿戴方便，是现代假肢的重要发展方向。
肌电假肢的分类 根据需要替代的肢体功能不同，肌电假肢分为上肢肌电假肢和下肢肌电假肢。当前研究和发展的重点是上肢肌电假肢。
上肢假肢一般以肘关节为界分为前臂肌电假肢和上臂肌电假肢。前臂肌电假肢可动关节的数目（自由度）一般不超过3个，即指伸、指屈，腕内旋，腕外旋，腕伸和腕屈。有些简易的前臂假肢只实现指伸和指屈功能。上臂肌电假肢可动关节的数目一般不大于3个，并且必须包括指屈、指伸和肘屈，肘伸两个基本功能。
肌电信号 人类肢体的运动是动作肌肉对神经中枢决策的一种复杂响应。人的肌体系统包含了由复杂的控制器，执行部分和信息接收环节组成的高度智能化的网络。各种神经脉冲不断地从高一级的中枢传递到动作肌肉上去，同时，大量的反馈器官又不停地向中枢神经系统提供感受的信息，及时地调节肢体的运动响应。就在中枢神经脉冲刺激动作肌肉时，引起肌肉的收缩，这种收缩伴随产生肌肉的电活动。肌电信号通过皮肤下面的软体组织传递至皮肤表面，形成皮表肌电信号，这种皮表肌电信号具有如下的特点：
(1) 它的峰一峰幅值，健康人在作最强的肌肉收缩时一般不超过1mV，对于截肢患者一般为数百μV。但是，如果截肢患者的截肢时间过长，残端肌肉萎缩或由于手术处理不当，还会严重地影响肌电的强度，以致于有些患者必须在接受一般生物反馈治疗，增强其肌电信号后才能安装肌电假肢。
(2) 它是一种频率从几Hz至1000Hz的低频随机生物电信号，信号的主要能量集中在30Hz至300Hz之间，大于500Hz的肌电信号就很弱了。
肌电信号的波形图和功率谱密度图如图1和图2所示。

图1 肌电信号波形图

图2 肌电信号功率谱图

从图中可明显地看出肌电信号的频率分布和能量分布。
根据肌电信号上述的特点，皮表肌电传感器的放大倍肌电假肢的结构 肌电假肢在结构上主要由以下三部分组成：
(1)手指（脚掌）机构及各关节传动部分： 这是假肢结构的主要部分，传动系统要平稳，噪音小，效率高，出力大，结构布局要符合拟人性要求。
(2) 皮表肌电传感器，肌电信号处理器及控制系统部分： 这部分工作的好坏直接影响假肢动作的失误率 （动作成功的次数与指令动作的总次数之比）。皮表肌电传感器负责提取肌电信号，要求灵敏，可靠。肌电信号处理器负责抽取肌电特征，并把它转化成控制信号。控制系统接受控制信号输入后，驱动微型电动机或其它执行器执行动作，并从关节的运动获取反馈信号来调节关节的最终位置。在多自由度多功能的复杂假肢中，控制系统还负责协调各关节的综合运动，使假肢按照正常人手的运动轨迹来完成许多日常动作，例如喝水，梳头等。
(3) 手套，臂套及接受腔部分： 这部分是(1)、(2)两部分安装的骨架，它既要传递肢体运动的受力，又要保持肢体的形状，要求拟人性好。臂筒一般采用高强度的异丁稀酸甲酯材料制成，它制成的臂筒重量轻，强度高，富有弹性。接受腔是预先用石膏取出患者残端模型而浇制而成。肢体运动的全部力量都要经过接受腔来传递，因此，接受腔必须与患者残端贴附良好，患者穿戴后不应有疼痛感觉。
肌电假肢的设计 经过千百万年的进化，人类的双手越发精巧，功能更加完善。它能够随意运动，控制和保持各种姿态，熟练地实现各种操作。即使在现代科学技术条件下，人们还不能再现它的全部功能。这样，在假肢总体设计上应着重考虑如下问题：
❶假肢的结构布局及运动应具备仿生性和拟人性。
❷假肢在功能上应能满足患者生活基本自理的要求。
❸假肢总体应当轻巧，噪音小，穿戴方便。
❹假肢在使用上应当安全、可靠。
由于肌电假肢受仿生效果，空间体积，能源供应，重量和噪音等多方面的特殊限制，要实现上述总体设计要求就必须综合运用精密机械，微电子技术，材料科学和生理医学等现代科学技术。
肌电假肢的进一步发展正朝着研制具有知觉(热觉、力觉、质感等)的多功能的智能型假手的方向发展。