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上肢型假肢行业技术突破向“新”而行

2020-12-3 08:11| 查看: 33| 评论: 0|来自: 中国医药报

摘要: 佩戴假肢能够改善肢体缺失患者外观,帮助其恢复肢体功能,尤其是对心理调整、心理恢复很有好处。患者戴假肢后能够有更强的自理能力,可以更好地完成社会生活及工作。为截肢者提供质量优良的假肢是社会、行业、患者共 ...

佩戴假肢能够改善肢体缺失患者外观,帮助其恢复肢体功能,尤其是对心理调整、心理恢复很有好处。患者戴假肢后能够有更强的自理能力,可以更好地完成社会生活及工作。为截肢者提供质量优良的假肢是社会、行业、患者共同的需要。

多因素驱动行业发展

近年来,国家高度重视残疾人康复服务需求。2016年10月,国务院发布《关于加快发展康复辅助器具产业的若干意见》提出,推动“医工结合”,支持人工智能、脑机接口、虚拟现实等新技术在康复辅助器具产品中的集成应用,支持外骨骼机器人、照护和康复机器人、仿生假肢、虚拟现实康复训练设备等产品研发。为截肢者提供反馈自然的假肢是现阶段我国康复事业发展的迫切需求。

咨询机构调查显示,2018年,全球上肢型假肢市场规模已达10亿美元,年复合增长率超过11%,市场规模有望在2020年增长至23亿美元。

目前,我国上肢功能性假肢行业市场需求从低端的机械型假肢向肌电型假肢过渡,高端产品市场需求较大。数据显示,2017年,我国上肢功能性假肢产量为2.46万件,同比增长7.7%。预计2023年,我国上肢功能性假肢需求量将达5.10万件。

目前虽然已有不少成熟的假肢手产品,但有调查显示,成年假肢用户对假肢的拒绝率达45%,其中近端截肢者、高龄截肢者对于假肢手的排斥率较高。除了存在磨损等舒适度问题之外,假肢手拒绝率高的主要原因还在于其感知能力低、假体与感知需求之间存在差异等。假肢手能够辅助截肢者完成一定的基本动作,但缺乏可靠的感觉反馈是产品面临的较大挑战,在很大程度上阻碍了其实用性和功能体现。真正实现假肢手的感知反馈不仅需要解决诸多技术问题,还需要解决大脑、神经方面的科学问题。

感觉反馈增强使用体验

机械上肢型假肢使用感的人性化,高度依赖假肢的反馈技术。近几十年来,许多研究致力通过植入电极、感觉神经功能重建等有创方式,或通过机械反馈、振动反馈、电触觉反馈等无创方式实现假肢手的感觉反馈,一定程度上提高了假肢手的操作能力和截肢者对假肢手的接纳度。

植入性电极

植入性电极技术通常包括在神经内植入纵向束内电极、束内电刺激阵列、犹他斜面刺入式电极阵列及扁平束内电极等植入性神经电极。

洛桑联邦理工学院研究发现,在截肢者残端的尺神经和正中神经处植入束内多通道电极可实现神经内刺激。植入神经电极后,截肢者使用假肢手对物体大小、高度的辨别准确率达75.5%。虽然植入性神经电极能给截肢者带来假肢手的感觉反馈效果,但这种方法也会带来一定风险,其需要使用大量自体神经组织,并对神经组织有一定损伤。此外,植入神经电极也有弊端:一是该技术不一定能将电极如愿配置在神经内部所需位置;二是移植后不容易固定电极体,电极容易受外力影响而游动,因此不利于长期移植。

脑感知皮层微电流刺激

除了在截肢残端植入电极生成刺激形成反馈外,目前还有不少研究致力于在大脑皮层植入电极形成脑机接口,使高位截肢者通过脑电控制假肢,提供假肢反馈。一个植入性电极阵列可以记录100——200个神经元的信号,记录下来的神经信号最终会被编译为相应的运动指令,从而驱动假肢完成运动。

美国加州理工学院的研究团队曾在大脑皮层表面约3毫米深的组织中采集脑电信号,将大脑皮层深层的神经信号传输到计算机,通过大量训练使患者逐渐掌握如何用意念控制假肢手。目前的大脑皮层植入电极一般可以使用5年,但仍然存在兼容性、电极偏移等问题。脑机接口虽然是一项突破性技术,但离实际应用还有一段距离。

诱指感反馈

截肢后的残端部位与手指存在一定的解剖映射关系,利用这种映射关系可以刺激残端使截肢者感到其失去的手指被触摸,这种现象被研究者称为诱指感现象。

经皮神经电刺激可以在截肢残端实现诱指感。经皮神经电刺激的电流脉宽、幅度、频率等参数可调节,可不同程度地刺激皮肤中的感受器及神经末梢,从而使截肢者产生多种感知,如轻触、按压、震动、麻木、疼痛等。该感觉反馈技术因其无创、自然等特点,成为现阶段假肢手感觉反馈领域研究热点,被认为是可能实现的、最自然的假肢手感知反馈方法之一。

视觉反馈

大脑对于假肢的感知和理解,很大程度上依赖于视觉通路,因此视觉反馈对于假肢手来说是很重要的反馈方式。东京大学研究者设计了一套虚拟现实与触觉反馈结合的系统,可用于缓解截肢者的传入阻滞性疼痛。截肢者健侧手掌佩戴数据反馈手套,头戴VR设备,在VR环境中用健侧手去抓取目标物体,通过相关设备与数据反馈手套捕捉截肢者健侧的运动,将健侧运动在VR环境中镜像为残肢运动,即由真实健侧手控制虚拟患侧手完成抓取任务,任务完成时会有声音和振动提示。在虚拟现实和振动反馈下,截肢者疼痛感明显减轻。

2016年,哥德堡查尔默斯理工大学研究团队在一项研究中,利用网络摄像头对截肢者残端的识别码进行定位,随后在屏幕上将虚拟假肢与残肢对齐,通过对肌电图的分析获取残肢端的运动速度,同时显示虚拟假肢并引导截肢者完成相应康复动作。训练一年后,截肢者的幻肢疼痛感降低了47%。随后在此基础上,2018年有研究通过对残肢端肌电图进行解码,通过侦测残肢端肌电信号判断截肢者的动作意图,然后将动作投影在屏幕上,截肢者看着屏幕,就像对着镜子做动作,增强了假肢使用体验。

提升反馈效果是关键

目前,我国假肢市场中,Ottobock和Ossur两大国外品牌占据较高市场份额,国内上肢功能性假肢大型企业数量较少,仅有科生等少数几家规模稍大的企业。在核心技术方面,国外品牌假肢产品覆盖面全、假肢类型多、控制与反馈效果好;国产假肢具有成本优势,但使用效果与国外品牌相比仍有差距,竞争力有待提高。

随着科技的发展,不少先进技术逐渐应用于假肢研发。目前,市面上已经出现多款仿生假肢,与真实肢体一般无二,但假肢较高的拒绝率和较低的普及率仍然是很严峻的现实问题。为假肢用户提供易于使用、感觉反馈可靠的假肢,需要工程师、医生从工程技术、神经科学等多方面联合考虑。

在政策红利和科技发展的背景下,上肢型假肢行业一方面展现出方兴未艾、大有可为的发展趋势,另一方面也面临着核心技术、康复配套环境的差距,未来发展任重而道远。

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