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| 假肢技术：解读“无腿飞人”飞奔的奥秘 |
| 还能创造多少奇迹和希望 |
日前，南非的“无腿飞人”奥斯卡·皮斯托留斯得到国际体育仲裁法庭支持，获参加健全人比赛的资格，这样他就有望参加北京奥运会了。
金德闻，清华大学精密仪器与机械学系教授，博士生导师，长期从事康复工程和生物机械学研究，现任中国残疾人康复协会副理事长，康复工程专业委员会主任委员。
几经周折，南非“无腿飞人”奥斯卡·皮斯托留斯日前赢得上诉，获准和健全人一起争夺北京奥运会奖牌的参赛资格。不论最终能否参赛，这个自幼双腿膝下截肢的20岁青年还是创造了奇迹。究其成功原因，一方面来源于他坚强的意志，另一方面则要归功于假肢技术的进步。
储能式下肢假肢：
让“无腿飞人”飞起来
皮斯托留斯使用的是上世纪80年代在美国开始出现的“储能下肢假肢”。这种假肢被誉为假肢技术发展中的里程碑。它采用高强度、高弹性且很轻的碳素纤维复合材料制成。这种材料在受力时可以产生很大变形，储存能量；而在外力撤除后又能很快恢复，释放能量，其释放能量与储存能量之比值（放/储比）高达95％以上。
用假肢行走和跑步时，脚与地面接触的前一阶段，需储存能量；当脚逐渐离开地面时，需要释放能量以产生推力。由碳素纤维复合材料制成的假肢，不仅符合人体运动的这种需要，而且由于其重量比人的腿脚还轻，再加上高的放/储比，降低了能量损耗。使用者可以行动自如，而且体力消耗小，不易疲劳。1991年，我国伤残人运动员孙长亭曾使用清华大学研制的储能式运动小腿假肢参加跳远比赛，成绩当场就提高了22厘米，一举打破该项比赛的世界纪录。
储能式下肢假肢有两大类：一类是运动假肢，是专门为不同运动项目设计的不同结构形状的假肢，看起来与人的自然腿脚有较大差别，但有助于提高运动成绩；另一类为步行用假脚，其外观与人体相似，由于在碳素纤维复合材料制品外加上了聚胺脂外套，步行脚的放/储比有所下降，但其性能仍然大大高于普通木制或其他材料制成的假脚。我国北京现代精博假肢矫形技术公司2004年研制成步行用储能脚产品，并已投放市场。
智能膝关节假肢：
快走、慢走均适宜
对于下肢膝上截肢者来说，膝关节假肢非常重要。
人在运动时，两腿交替支撑身体和向前摆动。膝关节需要在支撑期保持稳定，避免屈膝引起的摔倒；在摆动期，不仅要灵活，而且要有一定的运动规律，适应摆动的需要并减少脚触地时的冲击载荷。此外，在不同的步行速度和不同路面状况下，摆动的运动规律也不相同。
提高膝关节假肢性能的关键技术是对膝关节力矩的控制。为了实现对关节力矩的自动控制，上世纪90年代日本首先推出智能膝关节。这种关节将传感器、微电脑控制技术与特殊设计的机械装置相结合，使关节力矩能自动跟踪步行速度变化，改变力矩的模式，由此引起轰动。到目前为止，英、德等发达国家已有各种智能膝关节出现。它们不仅能跟踪步速变化力矩，还可以在遇到障碍物或可能发生摔倒时自动锁紧关节，保证安全。我国清华大学、河北工学院等单位已开展智能膝关节的研究多年，可望近几年形成产品。
动力腿：
甚至可能打造“超人”
本世纪，膝上假肢最新进展是动力腿的出现。普通假肢在上下楼梯时，由于缺少驱动力矩，使用者不能像正常人那样行走。动力腿则弥补了这一缺陷，在上楼梯时为使用者提供动力。
目前，一项热门话题是将动力腿技术用于非截肢者以提高攀登、负重、长距离行走的能力，当然这种装置与假肢不同，属于功能增强的范畴。
肌电控制的上肢假肢：
与人的意念一致运动
在日常生活中，上肢的动作频率高于下肢。上肢假肢的使用会给截肢者带来很大方便，在上肢假肢的发展中，动作的精巧、准确和控制方式是人们追求的目标。
用肌肉电信号控制的假手，可实现与人的意念一致运动。这是因为当人体产生动作意念时，相关肌肉会产生电信号，将这些信号提取出来用于假肢控制，就能实现当使用者想要假肢动作时，假肢便产生运动。
人的上肢关节很多，按其运动的自由度来说有27个之多。上肢假肢的功能主要是满足日常生活中基本的动作的需要，如手指开合、旋腕等。肘关节假肢则是满足上臂截肢者需要的假肢。用肌电控制的、只有手开合动作的单自由度假肢已得到广泛应用，但在具有肘关节伸屈和肩关节运动的多自由度假肢控制中遇到难题。因为多自由度假肢适用于高位截肢者，而高位截肢者由于相关肌肉被截去，无法提取相关肌肉的电信号。
科学的发展，总给人以新的启迪。虽然高位截肢者控制相关运动的肌肉已被截去，但控制运动的神经依然存在。只是由于神经信号很微弱（在正常情况下也仅为10～50微伏），因此直接用于假肢控制难度很大。神经移植术为解决这一问题开辟了途径。这种技术将控制上肢运动的神经移植到代用肌肉（靶肌肉）中，利用靶肌肉的信号控制多自由度假肢。美国芝加哥康复研究所和我国西北大学等合作，近几年已在多位双肩关节离断的患者身上实现了这一设想，患者可用靶肌肉电信号实现对肘关节伸展、假手开合与旋腕的意念控制。
假肢装配：
向“无接受腔”努力
假肢技术中一个重要问题是：假肢不是买回去就能使用的产品，使用假肢之前有一个重要的环节——装配。
优良的装配技术是发挥假肢性能和使用者潜能的保证。在装配过程中需经过接受腔适配、装配调整和使用训练3个过程。接受腔是残端与假肢的接口界面，直接影响使用的舒适、安全和效果。现代制造中的CAD/CAM系统从上世纪80年代后期开始用于接受腔制作。首先是英国伦敦大学研制的UCL系统，以后美国、加拿大等国也先后研究了自己的系统。我国民政部假肢研究所于2002年也研制出相关系统。此类系统在对残端进行测量的基础上自动生成制作文件，并有三维图像显示，还可根据专家经验对数据进行修改，以达到更好效果。近几年，此类系统已开始与网络连接，实现远程制作。
在人—机接口方面，瑞典于1992年提出一个全新方法——骨整合装配技术。它摆脱了传统的接受腔方式，将人工骨植入人体，人工骨的一端与残端的骨骼相接，另一端与假肢连接。这种方法没有接受腔套在残端外面，舒适性好，并且运动范围也因没有接受腔限制而加大。此外，残端软组织不承受力，从而使受力状态也更为合理，特别适用下肢假肢。这项技术在瑞典和英国已有几十个成功应用的病例，我国四川大学和清华大学也联合开展了此项研究，但尚未用于临床。
佩戴假肢是截肢者康复的唯一途径。科技进步使假肢越来越接近正常肢体的功能，这些技术与积极的生活态度和坚强的意志相结合，截肢者与健全人的差别会越来越小。创造出一个又一个像“无腿飞人”皮斯托留斯那样的奇迹，是截肢者和康复工作者共同的梦想。
