上肢假肢的未来突破

原创于 2025-10-02 01:33:14 发布 · 271 阅读

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#肌电图 # 假肢 # 感觉反馈 # 骨整合 # TMR

上肢假肢现状与未来的思考

摘要

尽管在主动式上肢假肢的研究和媒体关注方面取得了进展，但目前最常见的商用上肢假肢装置与近一个世纪前提供的解决方案相比并无根本性差异。控制和感觉运动整合方面的信息传递有限以及接受腔技术面临的挑战是主要障碍。通过分析当前的前沿技术和学术成果，我们对上肢假肢的未来提出了自己的看法。我们认为，用于肌肉再神经支配和骨整合的手术方法将变得越来越具有临床意义；肌肉电信号将继续作为假肢控制的主要临床手段；慢性电极植入将首先在肌肉（用于控制）中，随后在神经（用于感觉反馈）中成为可行的临床解决方案。在经历了数十年临床相关进展停滞之后，可以预见，基于这些进步的新一代上肢假肢将在近期未来进入市场，从而为患者带来显著的临床获益。

关键词 肌电图，我的控制，肢体截肢，假肢，感觉运动交互，手，机器人

尽管学术研究取得了重要进展，但目前临床标准假肢设备对于缺失的上肢而言仍是较差的替代品。随着消费电子产品和计算能力的迅速发展，令人惊讶的是，临床实践中使用的手臂/手部假肢在近一个世纪以来仍未发生根本性改变。1919[1]年推出的首款电动假肢实现了开手和闭手功能，其操作方式与当代假肢惊人地相似。首款肌电假肢[2]也与现代单自由度肌电假肢极为类似，而后者至今仍是应用最广泛的肌电控制手。市面上可购买的手部假肢与研究中探索的假肢存在巨大差异，目前仅是结构简单的抓握装置，对手‐腕复合体的灵巧功能实现非常有限。数十年来，研究成果未能有效转化为市场产品。即使近年来一些新型机械假肢部件已进入市场，这些现代多关节手部假肢的控制仍然局限于对标准控制协议的简单扩展，以适应更多的自由度[3]。因此，用户往往宁愿接受外观为钩状假肢和抓取器的假肢，因为它们能带来比外观类似自然手的假肢更显著的功能优势。

学术进展在假肢接口方面向最终用户可用的商用产品转化有限，这可归因于多种原因。与下肢假肢（下肢主要截肢占所有主要截肢的~80%）相比，产业驱动的研发受限于严格的医疗器械要求以及相对较小的市场，导致研发周期较长。高昂的研发成本与较小的市场相结合，再加上复杂的报销系统使得该领域的创新研究对许多假肢制造商缺乏吸引力。这种情况在低收入国家更为严重，由于医疗保健条件较差，截肢者数量增加，但却几乎没有进行假肢治疗和获取相关信息的手段。目前，只有高收入国家的患者能够受益于最新的上肢缺失替代技术。然而，可以利用快速成型技术（如3D打印）来提高多功能假肢的可及性。已有多个项目朝此方向推进，例如e‐NABLE[5]，其试图将志愿开发者与无力购买商业假肢的人士配对；以及Open Hand Project[6]，其提供全部材料，可在40小时内制作出成本低于1000美元的3D打印肌电手假肢。这些项目使假肢能够惠及更广泛的人群，但诸如生物相容性、耐用性、受伤风险和使用适用性等问题则由用户自行承担，对此应进行批判性审视。

在上肢假肢领域长期存在研究难以转化为市场产品的困境之后，我们现在见证了最近的一些科学成就，这些成就可被视为该领域的突破，具有潜在的重大临床影响。例如，靶向肌肉神经再支配（TMR）[7]，强调肌肉作为神经活动的生物放大器，并将肌肉信号记录作为一种通用的神经接口，在假肢学中是一个革命性概念[8]，具有深远的临床影响。在机电设计方面也取得了重要里程碑，开发出了具有多个自由度且低重量的人造肢体和手，从而更好地模拟其解剖结构对应物。电极植入肌肉和神经已被证明在长时间内保持稳定[9]。最后，假体的残肢‐接受腔接口过程可能通过骨整合得到彻底革新[10]。在上肢假肢领域，这些成果目前仍主要局限于研究实验室或小规模患者样本，但我们乐观地认为，它们现在已经达到足够的成熟度和影响力，能够大规模转化为临床假肢装置。接下来，我们将讨论为何我们认为这一转化可能在近期未来发生，并评述那些更有可能深刻影响未来市场的技术解决方案。

残肢‐假肢接口

我们首先讨论残肢‐接受腔接口这一重要挑战。该接口直接影响假肢的功能性和用户接受度：如果假肢佩戴不舒适或不稳固，即使其技术再先进、功能再有效，用户也不会使用。目前的接受腔仅在某些情况下是可接受的解决方案，例如对于具有相对较长残肢的前臂截肢者。然而，在其他多种情况下，这种接受腔并不合适。

例如，经肱骨截肢者的短残肢迫使矫形技师设计出限制肩部运动的接受腔，即使从理论上讲，残肢本身具备实现肩部三个自由度运动的潜力。目前，骨整合已受到广泛关注，原因在于已有首例将骨整合假肢应用于经肱骨截肢者的成功演示，该案例中患者植入了长期使用的肌肉和神经电极，用于实现控制和感觉反馈。分别为6‐7厘米。对于经肱骨截肢者，即使肱骨残端短至6‐7厘米，仍可通过骨整合实现，并保留肩部完整的自由度（布兰马克教授个人交流）。尽管骨整合技术已经成熟，但在上肢假肢学中尚未成为临床常规。然而，我们认为，在近期未来，尤其是对于高位截肢患者，该手术很可能会被广泛采用，这得益于上述优势以及在下肢骨整合方面积累的长期临床经验。理论上，该技术适用于后天性肢体截肢和先天性横向畸形的患者，但显然在生长发育期间并不适用。此外，骨整合可显著加快带有植入式电极的假体的商业化进程，因为它允许使用普通导线（通过金属植入物进出体内），而无需更复杂的无线传输方式。

美观外观

除了身体连接外，对于许多用户来说，假肢的外观也是一个主要关注点，且常常令他们不满意。由于目前尚无法实现完全自然的外观，一些用户选择碳纤维接受腔和透明手套这种高科技外观，来替代有时看起来较差的仿皮肤材料，以展现他们的仿生手。然而，这些偏好具有高度主观性，大多数用户仍然倾向于低调的设计。

我们预计，美容手套将极大地受益于材料科学和生产工程的进步。由此改善的外观将成为提高截肢者接受度的一个重要因素。

功能控制与恢复

即使近期市场上已推出复杂的机电一体化肢体，上肢假肢的主要局限性仍然是用户与假肢之间的信息传递较差（控制）以及反向的信息传递（感觉反馈）。在假肢控制方面，理论上最理想的方法是建立直接的脑机接口（BMI）。然而，在可预见的未来，这种接口极不可能成为上肢假肢控制的主流技术。事实上，皮层植入物对于大多数截肢者而言并不被视为有吸引力的选择。而其非侵入式版本（脑电图），脑机接口在假肢领域的任何临床应用中精度都过于有限。考虑到基于脑机接口的系统当前性能仅能以70‐80%的精度区分两类信号，我们认为，脑电图处理的固有局限性极不可能被克服，从而实现具有短延迟、高精度和比例速度的直接假体控制。

除了直接从大脑记录信号外，神经记录也为假肢控制提供了一种潜在手段。尽管已证明直接神经记录可用于控制假肢[14]，但这种控制是在高度人为的实验室条件下且仅在少数受试者中实现的。相比之下，TMR手术通过将神经连接到受体肌肉段，并利用肌肉作为天然信号放大器，使得几乎任何神经都可以实现接口连接。

此外，最近研究表明，可以从肌肉记录中解码大量运动神经元的脉冲活动[15]。该信息等同于对传出神经活动的解码。考虑到肌肉电极植入的手术复杂性也较低，相比之下与神经植入相比，根据我们的经验，通过侵入性记录直接从神经提取假肢控制的控制信号，并不比肌肉记录具有显著优势。

肌肉接口无疑是上肢假肢控制最具临床适用性的解决方案。只有通过多通道记录才能提取足够的信息密度来控制复杂的假肢肢体。经过该领域五十年的研究[16]（参见[17]以获取全面概述），最近人们已经认识到将该领域的实验室成果转化为临床环境所面临的一些挑战[14]，并且利用该领域学术进展的商业产品现已进入市场[18]。此外，相较于经典的模式识别方案，肌电控制方面也成功探索了重要的新方向[19]，包括通过融合除表面肌电图（EMG）之外的更多信息源来提高鲁棒性[20]。最后，与表面记录相比，植入式EMG电极的优势已被证明可克服表面肌电图的许多固有局限性[3]。我们相信，这些发展表明未来的上肢假肢仍将由肌肉电信号控制，并通过肌肉内的电极植入和类似TMR的手术加以改进。其他用于控制上肢假肢的接口方式，例如在神经或大脑层面的接口，在截肢者中可能不会产生显著的临床影响。

感觉反馈

上肢假肢学的另一个长期目标是通过向用户提供感觉反馈来增强其功能性和具身性。然而，在讨论“闭环控制”时，我们首先应思考闭环方案为用户带来的益处。尽管其优势乍看之下显而易见，但要为给定的前馈控制精度建立所需的反馈质量并非易事。过量的信息可能会使用户感到困惑，并且无法通过上述受限的控制机制进行有效传达；另一方面，信息过于有限则无法提供显著的优势。事实上，在假肢使用中，尚无充分证据表明感觉反馈能明显改善肌电控制。人工感觉反馈难以在功能上为假肢使用者带来优势的原因之一在于，假肢使用者本身已拥有丰富的自然感觉反馈。除了视觉和听觉反馈外，例如，他们还能利用用于肌电控制的肌肉的本体感受传入神经，并感知由假肢接受腔传递的运动振动。截肢者借助这些感觉输入，能够执行需要精细比例控制的精确运动任务，例如摘葡萄。尽管感觉反馈在提升控制性能方面的作用仍有争议，但向假肢使用者提供人工生成的感觉反馈，确实有助于促进具身性、减轻幻肢痛并纠正肢体缩短感。这些效应对患者具有明显的重要影响，尤其是当假肢通过直接骨骼连接进一步增强具身性时。

可通过植入式神经电极[25][9]或非侵入性地通过皮肤的振动或电触觉刺激[26]向用户传递感觉信息。在前一种情况下，重点是模拟生理感觉输入；而在后一种情况下，自然感觉信息被其他感觉所替代，这是一种映射到新的感觉程序和感觉运动交互中的方式。尽管直接神经刺激可能是长期解决方案，但在近期未来，我们预计相关临床应用更可能通过简单的非侵入性感觉替代系统实现，例如作用于皮肤的振动电机[27]。

替代方案

最后，在讨论上肢假肢时，我们也应考虑替代方案。手移植便是这些替代方案之一，它似乎解决了我们此前讨论的手部假肢的所有问题。移植的手确实具有自然重量和外观、最佳附着、直接神经吻合、直观控制、相较于假肢的生物力学优势以及自然感觉反馈。然而，手移植对患者而言代价很高：需要终身使用免疫抑制药物，随时可能发生血管化不良，在某些情况下甚至需要再次截肢，物理治疗复杂且耗时，经济成本非常高，并可能引发心理问题。由于这些限制，我们认为目前手移植仅应被视为双侧截肢患者的一种潜在选择（占所有病例的<5%[28]），而对于单侧截肢者则应优先选择假肢适配（这一观点也基于与Aszmann教授的个人交流）。因此，我们认为至少在近期未来，手移植手术不会对绝大多数截肢者产生重大影响。

专家评论与五年展望

在上肢假肢领域数十年缺乏临床相关的工业进展之后，我们乐观地认为，假肢研究的最新进展将很快推动该领域的大规模临床进展。尽管接受腔和接受腔技术仍将是重要的研究领域，但骨整合现已被证明是一种可行的解决方案，适用于越来越多的患者，正如在下肢中所见。骨整合还允许使用电缆连接植入式电极，而非无线传输。我们认为，控制信号仍将如目前一样来源于肌电图，并且靶向肌肉神经支配手术和肌肉内电极植入的影响将逐步增强。因此，肌电控制的研究努力将从表面肌电图转向肌内肌电处理。通过结合除肌电图以外的其他记录模式的传感器融合以及一定程度的自主控制[20]，有望提高先进控制系统的鲁棒性。感觉刺激最终将成为临床假肢的常见组成部分，在中期内很可能以简单的非侵入性解决方案实现感觉替代，而在长期内，如果发现具有显著益处，则可能常规采用神经植入。鉴于这些进展的可行性已在临床研究环境中得到近期验证，我们希望它们对市场以及更大范围临床应用的影响将在相对较短时间内实现，从而显著改善截肢者的生活质量。