智能假手怎么控制

  作者：陈中伟 陈峥嵘 胡天培

  [关键词] 再造手指 电子假手 再造手指控制的电子假手

  人的全手与部分手臂缺失，现有的治疗方法有：

  （1 ）在残端上移植一个[1]或数个足趾[2-3]，或行前臂分叉的Krukenberg’s手

  [

  4-5]。这种再造手指或手虽能代偿部分缺失的功能，但其外形从美观角度看与真手

  相比总感不能令人满意。（2 ）是假肢美容假手[6]，其外形几乎可以乱真但功能

  不够理想。功能假肢即使是目前已被大量应用的肌电控制的电子假手，由于肌电发

  放较微弱，仅 uV 级，而且表面电极检出的肌电信息是肌群的募集信息，不完全反

  映人脑对某一动作的运动指令。人体感受的外电场干扰又相对十分强大达 V 级。

  这些因素都影响肌电控制假手的动作准确性，尤其对多自由度电子假手影响更为

  严重。1978 年 Herberts[7]报道三自由度肌电控制的假手，控制准确率达57 ％。

  八十年代Denning 等采用新方法控制的准确率达72 ％。然而多数学者均认为，只

  有达到误动作率小于5 ％的假手才有实用价值。现在有人开始应用模式识别和人工

  神经网络技术[8]，亦有用埋入电极导出神经信息以及用电脑控制来

  控制假肢的试验，进展甚微，而要实现95 ％以上控制准确率仍困难重重。（3 ）

  手的异体移植。由于排异问题尚未解决，所以在临床上尚无成功的先例。作者们对

  足趾移植再造手指有丰富的实践经验，再造手指的动作受大脑指令的控制，动作可

  以做到准确无误；又有装配电子假手的经验与条件，所以设计在前臂截肢残端上移

  植一个足趾，大脑通过再造手指运动作为信号源，用以控制装配其上的多自由度电

  子假手。这种用再造手指控制的电子假手其动作准确率己达100 ％，现报告如下：

  病例介绍

  阳东华，女，19 岁，入院日期1996 年9 月10 日，住院号：300313 。患者于入院

  前1 年半，因工作不慎右手与腕部被机器压碎，右前臂于腕上8 厘米平面外伤截肢

  ，残端切口己良好愈合。经检查病人智力与各主要脏器及各项实验室检查均属正常

  范围。同年9 月19 日在全手麻醉下行左第二足趾移植手术。

  一、足趾移植再造手指

  l ．受区准备：在空气止血带控制下，右前臂自掌侧正中，肘下10 厘米处纵形向

  远侧，经残端作皮肤与深筋膜鱼嘴状切口，达相应的前臂背侧。于桡侧皮下解剖出

  头静脉与桡神经皮支。于拇长屈肌浅侧分出桡动脉及其伴行静脉较细。分离出手指

  屈肌与伸肌，桡侧腕伸肌与尺侧腕屈肌。修正桡骨残端备用。正中神经与尺神经已

  在高位被切断。

  2 ．供趾切取：左足第二足趾的游离。自第二跖骨颈平面足背向远侧，经第一、第

  二趾蹼分别作皮肤切口，向远侧延伸跨越至跖侧相应点，即在足背与足跖侧各形成

  “V ”形切口，足背切口向近侧作“S ”形延伸，达胫前肌内侧距舟关节平面。保

  留来自第二趾的主要皮下静脉与内侧足背静脉，直至大隐静脉起始部。分离并切断

  拇短伸肌腱向近侧翻转掀起在其下即可显露足背动脉及其伴行静脉。分离显露足背

  动脉与第一跖背动脉及其延伸至第二足趾的内侧趾动脉，结扎切断无关分支。自背

  侧切断第一、二与第二、三跖骨头之间的跖骨横韧带，即能显露第二、第三跖侧趾

  总神经，纵形切开神经外膜，按其内外侧分支进入各趾情况劈开趾总神经。保留去

  第一与第三趾的跖侧趾神经完好，按所需长度高位切断去第二趾的内、外侧跖侧趾

  神经。以后高位切断第二足趾的伸屈肌腱，骨间肌与蚓状肌。最后于中段平面切断

  第二跖骨备用，此时血供未断，第二足趾血循环良好。

  3 ．足趾移植：在合适平面切断第二足趾血管蒂（足背动脉与大隐静脉），将游离

  足趾移植至右前臂残端。各部组织对合：跖骨修整后插入桡骨截端髓腔，以二枚螺

  丝钉贯穿固定。尺侧腕屈肌腱与内侧骨间肌对端缝合；桡侧腕伸肌腱与外侧骨间肌

  腱缝合；指伸肌腱与趾伸肌腱、指屈肌腱与趾屈肌腱缝合。在手术显微镜放大下，

  将大隐静脉与头静脉，用“9 ”0 尼龙线间断缝合10 针，足背动脉与桡动脉对端

  缝合10 针。因桡动脉外径仅1.5毫米，故扩张后沿其纵轴作45 度斜切后才能勉强

  对合。将桡神经浅支纵劈成二股分别与二条跖侧趾神经缝合。观察再造手指的动脉

  血供与静脉回流均良好，切口逐层关闭。患肢以石膏托保护。术后72 小时动态观

  察，再造手指存活良好。术后10 天拆除皮肤缝线，创面一期愈合。

  二、伤肢的康复

  由于右手与手腕截肢后，伤肢没有很好应用，故有明显的废用性萎缩。本例设计的

  功能测试与训练项目包括：（1 ）负重适应性训练；（2 ）重量感受性训练；（3

  ）手臂稳定度测定与训练；（4 ）再造指控制功能的测定与训练。术后二月病人

  转入交大康复中心，又经一月康复训练。手臂残端负重能力比训练前提高4 倍。重

  建了重量感受识别能力，对重量的识别误差由100 ％减少到20 ％以内。手臂稳定

  度在不戴或配戴假手情况下都达到了同龄组正常值以上水平。再造手指虽然感觉功

  能尚未完全恢复，但患肢己能准确传递大脑运动信息。经专家检测，单自由度电子

  假手(指伸屈)与三自由度电子假手可作指伸屈、腕伸屈与旋前及旋后六个动作，其

  控制指令操作一百次无一次失误，准确度达100 ％，即误动作率为0 ％。随着康复

  时间延长，骨端愈合更牢固，神经再生更完善，再造指的控制将会更快速灵活。

  三、工程方面

  本例采用开关控制与数字编码控制两套方法：（1 ）开关控制最简单可靠，由于手

  术中缝合屈伸与内收外展二组肌肉。所以再造指可以在 X-Y 两个标轴上活动，而

  且桡骨还能旋前、旋后。故可准确按触六个开关。（2 ）数字编码控制原理。亦容

  易学会，正确度高。本系统采用全电子控制伺服系统、五机械触点、电路简单、性

  能稳定、操作方便、控制准确性高，适合于残疾人使用，亦未发生错误动作。

  四、电子假手的性能与参数

  再造手指控制的电子假手由手头、臂筒(接受腔)、控制系统、假手套(仿真)和充电

  器组成，单自由度再造指控制的电子手重450 克(不包括充电器)，三自由度再造指

  控制的电子假手重量为760 克。假手性能：形状仿真人手。最大握力8~12 公斤，

  工作电压5~9 伏，工作电流222 毫安。动作速度：指开、闭各为1 1.2 秒，腕伸屈

  各15 秒，腕旋前或旋后360 度各为10 秒。拇食指张开距离不小于100 毫米，对指

  合拢允许间隙 l2 毫米(即仿真硅橡胶手套厚度)。控制系统开关控制单双自由度电

  子假手，编码控制三自由度电子假手。

  本文报告的前臂残端足趾移植再造手指不仅能准确控制单自由度电子假手，做手指

  伸屈动作，帮助生活自理如取物、握杯、书写、打毛衣等。还能准确控制三自由度

  电子假手，包括假手指伸屈、腕伸屈、旋前与旋后六个动作。经国家教委科技发展

  中心组织有关专家测试鉴定，指令100 次动作无失误，亦不受外界干扰，完全达到

  临床实用要求。

  讨论

  作者认为，在进行足趾移植于截肢残端的再造手指应考虑下达各点：（1 ）移植的

  足趾数，应以最小的牺牲，获得最佳的效果。一般移植一个足趾已能满足信号要求

  ，供区少一个足趾对足的外形与功能影响不明显，几乎可以忽视。（2 ）手术时应

  注意缝接二组肌腱，使再造手指不单有伸屈功能，并有内收外展动作。本例采用桡

  侧腕伸肌腱与尺侧腕屈肌腱分别移植于再造手指的桡侧与尺侧，经康复训练达到再

  造手指侧向动作的要求。选用的缝接肌腱亦应考虑伸屈肌的协同与拮抗作用。（3

  ）二个趾神经原设计分别与尺侧的尺神经背支与桡侧的桡神经浅支相缝合，然术

  中发现尺神经背支己在截肢时被切除，故只能将桡神经浅支劈开为二股，分别与内

  外侧跖趾神经相吻合。（4 ）病人截肢与入院的间隔时间已长达1 年半。截肢残端

  明显废用性萎缩，尤以桡动脉外径己缩小至1.5 毫米，与足背动脉的外径3 毫米明

  显的不一致。桡动脉缝合端经扩张与45 度斜切后才勉强对端缝合，头静脉与大隐

  静脉的吻合亦有相似情况发生，这种情况在手术前应有充分估计。

  伤肢的测试与康复训练对电子假手的应用自如是极其重要的先决条件。肢体截除后

  ，残肢必然发生明显的废用性萎缩。本例在训练测试前后，残端负重功能比训练前

  提高了四倍，并重建重量感受识别能力，对重量识别的误差由100 ％减少到20 ％

  以内。手臂的稳定度不管戴与不戴电子假手均达到同龄组的正常值。只有充分注意

  到这些功能适应性的训练与测试，使主要指标达到装配电子假手的要求，才能使戴

  上的电子假手应用自如。

  本例为提高控制多自由度电子假手的准确性，减少误动作率提供了有用的途径与实

  例，而且还在假肢研究中看到了医学与工程学紧密结合新途径的优越性。

  参考文献

  1 Vilkki SK. Free toe transfer to the forearm stump following wrist amp

  utation: a current alternative to the

  Krukenberg operation. Handchirurgie Mikrochirurgie Plastische Chirurgie

  ，1985 ，17:92-97.

  2 Chen ZW, Wang Y. ”Hand reconstruction” by autotransplantation of to

  es. Chin J Surg ，1981 ，19:7-9.

  3 Yu ZJ,He HG. Method of reconstruction thumb, index and/or middle fing

  er for digitalis hands. Chin Med J ，1985 ，

  98:863-867.

  4 Chan KM, Ma GF, Cheng JC, et al. The Krukenberg procedure: a method o

  f treatment for unilateral anomalies of

  the upper limb in Chinese children. J Hand Surg ，1984 ，9:548-551.

  5 Garst RJ. The Krukenberg hand. J Bone Joint Surg （Br ），1985 ，73:3

  85-388.

  6 Pillet J. Anesthetic prostheses? Yes, but why? Singapore proceding 12

  th symposium of International Society of

  reconstructive Microsurgery,1996, P337.

  7 Herberts P, Almstrom C, Kadefors R, et al. Hand prosthsis control via

  myoelectric patterns. Acta OrthopScand,1973, 44:389-409.

  8 Taha Z, Brown R, Wright D. Modeling and simulation of the hand graspi

  ng using neural networks. Med Eng

  Phys,1997,19:536-538.