出品：科普中國
作者：胡旭暉（中國科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所）
監(jiān)制：中國科普博覽
清晨鬧鐘響起，你關(guān)掉鬧鈴、起床、刷牙、系鞋帶、準(zhǔn)備出門……這是絕大多數(shù)人每天都會(huì)面對(duì)的場景，如果你足夠細(xì)心，可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，這一切活動(dòng)的基礎(chǔ)都是人們對(duì)雙手的靈活使用。在實(shí)際生活中手的功能遠(yuǎn)不止于此，它還會(huì)輔助我們更準(zhǔn)確地表達(dá)，甚至成為一種文化的符號(hào)。
但這些對(duì)大多數(shù)人來說都是稀松平常的動(dòng)作，對(duì)于另一些人來說，卻無比艱難，甚至是不可能完成的任務(wù)——他們就是手部殘疾的殘障人士。一場疾病或意外，或者根本就是先天的因素，都可能會(huì)讓他們的手出現(xiàn)問題，無法正常使用。面對(duì)這種情況，人們總是用各種手段幫助他們，其中對(duì)他們幫助最大的可能要數(shù)假肢了。
今天是全國“肢殘人活動(dòng)日”，讓我們來聊聊現(xiàn)代科技都能為截肢者做些什么。
（圖片來源：veer圖庫）
一、假肢手技術(shù)的演進(jìn)
如果我們將上肢假肢以功能的多寡作為劃分標(biāo)準(zhǔn)，功能最單一、同時(shí)也是價(jià)格最友好的應(yīng)當(dāng)是裝飾性假肢。它通常由硅膠制成，有著良好的觀感和觸感，但就如它的名稱一樣，一切也就僅限于此。
（裝飾性假肢手 圖片來源：veer圖庫）
目前更為實(shí)用的一類主流假肢是索控假肢手。它通常以捆綁用戶肩部的形式穿戴，綁縛于用戶肩部的背帶一路延伸至假肢的指關(guān)節(jié)，使用者通過對(duì)側(cè)肩胛骨的運(yùn)動(dòng)控制牽引繩的松緊，從而實(shí)現(xiàn)抓握。但隨之而來的是穿戴的繁瑣、運(yùn)動(dòng)摩擦的疼痛，以及為了適應(yīng)反直覺的操作方式而必須進(jìn)行的大量練習(xí)等等。
索控假肢手控制原理
圖片來源：參考文獻(xiàn)【1】
如果我們用橫軸來表示易用性，豎軸來表示功能性，我們將會(huì)看到，裝飾性假肢、索控假肢和正常肢體相比依然具有很大差距。如果我們想要?jiǎng)?chuàng)造出一種新的假肢類型，讓它在功能和易用性上盡可能接近原本的肢體，這就需要假肢既能夠按照符合用戶直覺的方式被控制，同時(shí)具有更豐富的運(yùn)動(dòng)屬性。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，或許要先了解我們是如何控制四肢的，以求線索。
裝飾性假肢和索控假肢的功能性、易用性分布
（圖片來源：作者自制）
二、人是如何控制原生肢體的運(yùn)動(dòng)？
人體內(nèi)信息傳遞媒介的基本單位是神經(jīng)元，通過樹突接受上游神經(jīng)遞質(zhì)影響，進(jìn)入興奮狀態(tài)后，包膜上的鈉離子通道開啟，帶有正電荷的鈉離子大量涌入，其中一部分被推向電勢更低的軸突部位。受鈉離子刺激，軸突上的鈉離子通道依次打開，直至軸突終末。軸突終末的鈣離子與蛋白質(zhì)結(jié)合，釋放囊泡中的神經(jīng)遞質(zhì)，被釋放的神經(jīng)遞質(zhì)影響下游靶細(xì)胞。
運(yùn)動(dòng)神經(jīng)信號(hào)傳導(dǎo)過程
（圖片來源：參考文獻(xiàn)【1】）
如果以膜電位的變化為視角將這一過程簡化為圖表，它大致是這樣：
單個(gè)運(yùn)動(dòng)單元的動(dòng)作電位波形
（圖片來源：參考文獻(xiàn)【1】）
這一有著特殊波形的跨膜電位搏動(dòng)，被稱為動(dòng)作電位。雖然由于軸突結(jié)構(gòu)和神經(jīng)元的長度差異，傳遞過程中并不完全雷同，但我們大體上，可以將我們的神經(jīng)系統(tǒng)視為這樣的一條信息高速公路：信號(hào)由大腦發(fā)出，經(jīng)由脊髓傳遞至周圍神經(jīng)系統(tǒng)，并最終控制相應(yīng)骨骼肌的收縮，完成對(duì)應(yīng)動(dòng)作。而肢體殘缺，意味著大腦依舊在發(fā)出信號(hào)，神經(jīng)依舊傳遞信號(hào)，肌肉依舊在收縮，但對(duì)應(yīng)的接收端已經(jīng)離線。
三、截肢者如何控制假肢運(yùn)動(dòng)？
了解到這里，事情似乎有了一些眉目。這時(shí)可能有聰明的小伙伴就問了，既然信號(hào)由大腦產(chǎn)生，那直接將腦電信號(hào)采集設(shè)備植入大腦讀取信息，再轉(zhuǎn)換成機(jī)器指令交由假肢執(zhí)行不就可以嗎？但實(shí)際上這一過程說起來簡單，要實(shí)現(xiàn)卻極為困難——這也就是目前最前沿的腦機(jī)接口技術(shù)正在研究的內(nèi)容。
腦機(jī)接口技術(shù)（圖片來源：veer圖庫）
這一技術(shù)涉及到的問題首先是要將腦電信號(hào)采集設(shè)備植入大腦就需要進(jìn)行侵入式腦機(jī)接口手術(shù)，這種手術(shù)的潛在傷害、生理排斥風(fēng)險(xiǎn)巨大，且還存在許多倫理上的問題（比如關(guān)于個(gè)人隱私等）；其次是信號(hào)采集和解碼技術(shù)目前還很不成熟，如何正確識(shí)別腦電信號(hào)，如何解碼這些信號(hào)？都是未能解決的難題；此外，即使是采集設(shè)備成功植入后，也會(huì)逐漸被膠質(zhì)細(xì)胞包裹，這將嚴(yán)重影響到信號(hào)采集的精度，并且要解決這一問題只能依靠再次開顱。因此，就當(dāng)下而言，侵入式腦機(jī)接口還處于技術(shù)的理論研究和試驗(yàn)階段。它離我們生活的距離，并不比火星移民更近。
雖然基于腦電圖和經(jīng)顱磁刺激的非侵入式腦機(jī)接口已經(jīng)出現(xiàn)，但即便不考慮便攜性，以非侵入的方式在人體的中央處理器附近尋找局部肢體信號(hào)，也會(huì)像浙江大學(xué)許科帝教授所說，猶如在合唱團(tuán)的唱段中尋找特定歌者的聲音。
不過，雖然在腦部識(shí)別肢體信號(hào)很難，但這并不意味著不可能。隨著信號(hào)從大腦傳出，指向局部肢體的動(dòng)作電位與其他信號(hào)分道揚(yáng)鑣，最終抵達(dá)肌肉接頭，并沿著肌纖維向兩邊發(fā)散。對(duì)于上體假肢來說，這里信號(hào)的垂直度會(huì)高得多。并且肌肉纖維上的動(dòng)作電位也會(huì)沿著脂肪等皮下組織，蔓延至皮膚表面。這帶來了一個(gè)好消息，那就是不通過侵入的方式，在皮膚表面也能采集到與運(yùn)動(dòng)意圖相關(guān)的生理電信號(hào)。又因?yàn)檫@些信號(hào)來源于肌肉，所以它被稱為表面肌電信號(hào)[3]。
信號(hào)已經(jīng)有了，聽起來我們只需要將截肢者殘肢處的表面肌電信號(hào)進(jìn)行解碼并轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)機(jī)械指令讓假肢執(zhí)行就好。但是，表面肌電信號(hào)的解碼也不是一件容易的事情。
肌電信號(hào)產(chǎn)生原理
（圖片來源：參考文獻(xiàn)【1】）
四、如何解碼殘肢的肌電信號(hào)？
為了能夠更好地理解科學(xué)家是如何解碼肌電信號(hào)中蘊(yùn)含的動(dòng)作意圖，讓我們先舉一個(gè)更為簡單的例子。
假如圖中的三維模型特征代表了一段聲音信號(hào)，我們的任務(wù)是分析它使用了哪些樂器，顯然這讓人毫無頭緒。即便這張圖的信息已經(jīng)足夠豐富，時(shí)間、頻率、響度三類關(guān)鍵信息盡收眼底，但對(duì)于區(qū)分樂器種類依然無能為力。
聲音信號(hào)關(guān)于時(shí)間、頻率、響度的三維模型圖
（圖片來源：參考文獻(xiàn)【1】）
如果我們換一個(gè)角度來看這個(gè)模型，此時(shí)橫軸為頻率，縱軸為響度。我們能夠得到這首歌在某一瞬間的頻響曲線，這一曲線是該時(shí)刻各個(gè)樂器頻響曲線的線性疊加。換句話說如果我們能夠熟知不同樂器的頻響曲線模型，我們就能據(jù)此得出這一瞬間包含了哪些樂器。當(dāng)然，實(shí)際上我們每個(gè)人也確實(shí)熟知它們（但不是以音頻波形的方式），這是因?yàn)槲覀兊拇竽X中已經(jīng)存儲(chǔ)了大量這類模型，并且從中成功提取了模型特征。這也是為什么即便電吉他的失真、過載等效果變化萬千，我們依舊能通過聽覺分辨出它來。
肌電信號(hào)和對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)單元?jiǎng)幼麟娢坏慕M成情況
（圖片來源：參考文獻(xiàn)【1】）
現(xiàn)在我們?cè)賮砜催@幅肌電信號(hào)圖，雖然同樣頭皮發(fā)麻，但似乎有一些頭緒了。我們已經(jīng)知道了它是多個(gè)運(yùn)動(dòng)單元肌電信號(hào)的線性疊加，所以如果我們能夠得到這些運(yùn)動(dòng)單元的肌電信號(hào)模型并提取特征，就能反求出這段這段混合信號(hào)蘊(yùn)含的動(dòng)作意圖，從而予以執(zhí)行。但目前并沒有辦法獲取足夠多的模型。這個(gè)問題在理論上并不是無解的，許多從業(yè)者都為之努力，目前較為主流的技術(shù)路徑，是基于獨(dú)立分析法的盲源分離。這聽起來很晦澀，所以讓我們?cè)俅位氐竭@首音樂。假設(shè)我們現(xiàn)在并不知道關(guān)于搖滾樂及其樂器的任何常識(shí)，這意味著我們很難辨別哪些聲音是來自同一樂器。比如貝斯的高音部分和吉他的低音部分就有可能會(huì)被當(dāng)作來自同一樂器。
那我們?cè)撊绾畏直?？答案是多聽?/strong>
打開音樂軟件多聽這個(gè)樂隊(duì)的歌，將不同段落進(jìn)行對(duì)照。同時(shí)你還需要拿到同期聲錄制時(shí)，不同樂器前方采集到的混合音頻信號(hào)。這樣一來通過音色的大致分類，再結(jié)合不同麥克風(fēng)所采集樂器音頻的距離信息，你就能夠準(zhǔn)確地分辨出哪些聲音是來自那些樂器?；讵?dú)立分析的盲源分離也是大致如此，不同位置麥克風(fēng)采集到的都是這些樂器信號(hào)不同權(quán)重的線性疊加，這些權(quán)重組成一個(gè)矩陣。只要麥克風(fēng)數(shù)量大于或等于樂器種類數(shù)量，通過不斷迭代得到盡可能真實(shí)的矩陣，就能通過求解矩陣方程，將這些未知樂器的混合信號(hào)像之前那樣拆解。
盲源分離在音樂分離、人機(jī)語音交互等方面都有應(yīng)用，技術(shù)路徑有了，在音頻領(lǐng)域也有了較為成熟的商業(yè)應(yīng)用，一切都看起來很美，不是嗎？但在音樂的例子中我們講到了一個(gè)前提，那就是不同位置的麥克風(fēng)數(shù)量要大于等于樂器種類的數(shù)量。這句話轉(zhuǎn)化一下，信號(hào)采集器的數(shù)量要大于源信號(hào)的數(shù)量，而采集器的相對(duì)數(shù)量越少，得到的結(jié)果越模糊。這在源信號(hào)數(shù)量較少的音頻領(lǐng)域通常容易達(dá)成，但對(duì)于人體，僅肘部以下，作為源信號(hào)的運(yùn)動(dòng)單元數(shù)量就已然上千。要想將數(shù)量匹配的采集器放進(jìn)一臺(tái)假肢，完全不現(xiàn)實(shí)。
所以該怎么辦？答案可以是妥協(xié)，目前最常見的第三類假肢手——肌電假肢手就是這么做的。其通過兩枚肌電傳感器收集屈肌側(cè)和伸肌側(cè)的表面肌電信號(hào)，并對(duì)采集到的肌電信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)分析，將橫軸下方曲線翻折，再提取低頻特征。如此一來，就足以識(shí)別手腕內(nèi)翻、手腕外翻、抓握這三種手勢了?；诖?，再將各種生活常用手勢預(yù)設(shè)在假肢里，使用時(shí)根據(jù)場景來回切換。就像我們?cè)谝魳?App 里那樣，上一首、下一首、播放。雖然控制依然不夠直觀，但相比于索控假肢，肌電假肢為多手勢的靈巧操作提供了可能。
現(xiàn)有商業(yè)化肌電假肢手控制原理
（圖片來源：參考文獻(xiàn)【1】）
截至目前我們粗略地介紹了上肢假肢手市場上的產(chǎn)品，那么現(xiàn)階段有什么遺憾嗎？有的。比如一旦截肢部位上升至大臂這套方案就不再適配；再比如智能仿生手依舊無法像真正的手一樣感知溫度、力度、位置等。
另外，在實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)肌電信號(hào)識(shí)別手勢依舊存在著它的問題。比如肢體運(yùn)動(dòng)和接受腔對(duì)皮膚的擠壓可能在肌電信號(hào)上產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)偽跡，這是因?yàn)殡娦盘?hào)要通過皮下組織才能傳播至皮膚表面，而擠壓會(huì)改變皮下組織的形態(tài)。這就像聲音在傳播中突然改變了介質(zhì)，這會(huì)導(dǎo)致電信號(hào)變形，從而使得分析更加困難。但這確實(shí)就是當(dāng)下商用肌電控制假肢的現(xiàn)狀。
五、哪種假肢手是當(dāng)下截肢者更好的選擇？
到目前為止，我們介紹了目前市面上最多的三款假肢手，包括裝飾性假肢手、索控式假肢手假肢，以及肌電假肢手。那目前來說肌電假肢一定優(yōu)于牽引式假肢嗎？肌電假肢能實(shí)現(xiàn)更多的手勢，來應(yīng)對(duì)不同的場景。所以可以說它在技術(shù)上是更具優(yōu)勢的。但我們到目前還沒有談?wù)撈渥鳛橐粋€(gè)商品的重要屬性，那就是肌電假肢的價(jià)格。
由于假肢目前還需要針對(duì)個(gè)體進(jìn)行高度定制，所需人工和物料制作成本的疊加使?fàn)恳郊僦膬r(jià)格來到千元。而肌電假肢的研發(fā)成本更高。顯然相較于大眾消費(fèi)品，上肢肌電假肢想通過規(guī)?；瘉韷旱统杀倦y度要大得多。目前國外先進(jìn)的肌電假肢手來到國內(nèi)的平均價(jià)格大約是 20-30 萬人民幣，在部分區(qū)域的渠道價(jià)格可能會(huì)超過50萬。而在極端狀況下，你甚至可能會(huì)收到70萬的報(bào)價(jià)，國內(nèi)品牌的銷售渠道管理優(yōu)勢的確明顯，售價(jià)大約是這個(gè)數(shù)字的 1/5 。但顯然依舊談不上便宜。實(shí)際上人當(dāng)失去手臂，其勞動(dòng)能力便受到了極大影響，因此前臂截肢者的實(shí)際人均可支配收入很低。但更貴、技術(shù)更先進(jìn)的假肢也并不能很好補(bǔ)足用戶缺失的勞動(dòng)力。
在一篇名為《上肢假肢廢棄的關(guān)鍵因素》的論文中，Elaine Biddiss 博士指出[7]，有大約 20% 的用戶在兩年內(nèi)棄用了上肢假肢。而在另一篇主要針對(duì)挪威肢體殘缺人群的論文中，Kristin ?stlie博士在給出相近數(shù)據(jù)的同時(shí)進(jìn)一步補(bǔ)充到，由于「穿戴」即會(huì)被視為「使用」，在統(tǒng)計(jì)人群中還有相當(dāng)一部分殘疾人僅將假肢作為裝飾用，因此假肢的功能性使用率實(shí)際上要更低。
因此，如果經(jīng)濟(jì)條件受限，或肌電信號(hào)較微弱，索控假肢依然能很好地輔助截肢者的日常生活所需。如果對(duì)美觀性、功能性有更高要求，并且殘肢肌電信號(hào)滿足假肢控制要求，則更推薦肌電假肢手。如果更在意肢體外觀的自然完整性，那么美容手更逼真的外觀在當(dāng)下依然值得考慮。
當(dāng)然，科學(xué)的不斷發(fā)展和科技的不斷進(jìn)步，一定會(huì)為殘障人士帶來更多的便利，讓他們擁有多元的未來。
參考文獻(xiàn)：
1. “在當(dāng)下，截肢患者都有什么選擇？代價(jià)又是什么？”(2023) Bilibili 大器免成_1004 （已獲得作者授權(quán)）
2. 《輔具情報(bào)研究第三期一我國假肢與矯形器的歷史、現(xiàn)狀與展望》(2020) 國家康復(fù)輔具研究中心
3. The Extraction of Neural Strategies from the Surface EMG. (2004) Dario Farina et al.
4. Independent Component Analysis: An introduction. (2018) Tharwat Alaa.
5. 《人機(jī)共融型靈巧肌電假肢關(guān)鍵技術(shù)研究》(2022) 胡旭暉
6. The Extraction of Neural information from the Surface ENG for the Control of Upper-Limb Prosthesis: Emerging Avenues and Challenges. (2014) Dario Farina, et al.
7. Upper-Limb Prosthetics: Critical Factors in Device Abandonment. (2007) Elaine Biddiss, et al.
8. Prosthesis rejection in acquired major upper-limb amputees: a population-based survey. (2012) Kristin ?stlie, et al.
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