上肢假肢控制所采用的信息源模式介紹
肌電控制假手是利用肌電作為控制信號的新型動力假手，是一種生物電 控制的典型“人一機系統”。肌電假手能夠反映人肢體的運動信息，控制簡單， 與其它方式控制的假手比起來具有很多的優越性，因而受到患者的青睞，擁有廣闊的市場，而且也成為上肢假肢研究中的一個熱點。
本文所研究的重點是如何準確地控制具有自適應增力機構、采用空間開式傳動的單自由度肌電控制假手。所作的作主要分為兩大分，一是對肌電信號進行分析，提取特征值。即利用數字電路和模擬電路等相關知識，設計了具有輸入阻抗大、共模抑制好、增益高等特點的肌電信號前置處理電路，利用“振通”數據采集儀對處理后的信號進行采集，并利用快速傅立葉變換 的相關知識編寫了信號處理程序，對肌電信號進行了波形分析、幅值譜分析和率譜分析，提取了信號特征值，與相關資料的數據相比，基本一致：二 是利用肌電信號的特征值對肌電假手進行控制。利用電路設計的相關知識對控制電路進行了設計，并取得了很好的控制效果。
人的肢體是一個復雜而巧的動力學系統，如何再這種結構，是假肢研究的主要內容。隨著康復學與康復程、材料學、電子學和控制理論等術的發展，假肢研究也發生了革命性交革。假肢已經不再僅僅作為一種裝 飾品，人們對它的舒適性、實用性、準確性和靈活性提出了更高的要求，假 肢也向著智能型、美觀型，類人型方向發展。目前，世界范圍內的各種商品 化假肢已經不下千余種。
在假肢控制中，上肢假肢由于復雜度高、控錯i難度大而倍受關注。從目前情況看，機械式假肢和肌電假肢都已成熟化和商品化，再假肢和聲控 假肢也已邁出實驗階段，而利用腦電、腦磁等生物信息控制的上肢假肢尚處 于研究中。此外，為了提高假肢能，還出現了將開環控制增加反饋組成閉 環控制的形式，并取得了一定的進展。如Mabuchi等構的假肢系統，不僅 能夠將刺激傳遞給受試者以產生與原始刺激相應的軀體感覺，并且在幅值上 也存在對應關系。
在控制方式中，能夠按照人的意志來控制假手是一種理想的方案。這時，控制信號源的取出可能有三種途徑：(I)直接把人的中樞神經系統 中的令取出來;(II)把通過運動神經系統的信號取出來;(III)把運動神 經系統的脈沖到達肌肉所產生的肌電位取出來。目前，采用第三種方法研究的肌電控制假手，占著主導地位。如果具體地進行分類，當前各種上肢假肢控制所采用的信息源模式主要有以下幾種：
l、以身體的機械運動作為信息源
這種上肢假肢的控制思想主要是利用患者殘存的運動能，通過傳動裝置觸發相應的開關進行控制。截肢患者的殘端肌肉的收縮/舒張和膨起、健肢位如胸的擴張、肩的提升/下垂及外展/內收等都可以用作假肢驅動的信息源。這類假肢控制結構簡單，價低廉，因而受到了患者的歡迎，在第一章緒論將來一段時間內仍將擁有一定的市場。
從目前來看，這種上肢假肢的發展主要有賴于提高信息源的檢測手段、改進假肢的控制策略。如古瀨則夫等采用三位定位測量設備檢測患者的特定運動，利用神經網絡來確定對應的控制令。Aghili等根據Simpson提出的通過測量病人的未受損關節的角度來控制假肢的思想，建立肩關節運動角度的閉環曲線與所進行動作的關系映射，用判別函數來確定肘關節和腕關節的角度矢量。Rochel等則利用外科手術將肌腱與假肢驅動器連接在一起，通過感覺肌腱的運動來直接驅動假手動作。
盡管經過幾十年來成千上萬的假肢患者的使用表明，這種類型的上肢假肢可靠性高，魯棒性好，但它所能實現的控制務非常簡單，加之殘肢對人腦令反應的遲鈍，使得靈活性不高，不適合用作高正確度且組合性強的信息源。如文獻“1所設計的假肢只能完成預定的梳頭、拿電話和喝水三個動作，假肢控制的準確度也只有85%。
2、以肌電(EMG)作為信息源
肌電假肢的信息源來自殘肢肌肉發放的動作電位。由于它能夠反映人的肢體運動信息，因此比機械牽動式假肢更為優越，不但受到患者的青睞擁有廣闊的市場，而且也成為上肢假肢研究中的一個熱點。
肌電信號為微弱，經常淹沒在其他的生物信號及外噪聲中，因此須采用高質量的EMG檢鍘系統。目前所采用的檢測方式主要是依靠表面電 和針式電，將EMG從適當的截肢位引出，再進行濾波處理。一種無線電 探針原型也已開發出來，但尚處于試驗階段。
盡管肌電假肢在實際應用中獲得了巨大的成，但當截肢者的殘肢太 短，或者因癱瘓而導致肌肉萎縮時，就不能提供足夠的肌電假肢所需要的控制信息。同時，肌肉的疲勞、電位置的改變、肌電信號的訓練、體重的波 動都會使肌電信號的特征值發生變化，成多自由度肌電假肢的控制準確度 難以提高。此外，由于使用者須學習不自然的運動來驅動手的運動，同時也由于受對肌電信號的解碼能力所限，肌電假肢所能控制的自由度也是很有限的。
由于這些原因，實際應用中的肌電假肢，大都仍然是單自由度，通過上臂肌肉的收/縮來控制。從目前的研究結果來看，肌電假肢的改進主要從以 第一章緒論 下幾個方面進行：
1：采用新策略來提高單通道所能夠控制的自由度數。
2：采用包括信號濾波、譜分析和模式識別術在內的新術，以便從EMG信號中獲取更多的獨立通道數。
3：將反饋術引入到肌電假肢中，以使肌電假肢能完成更多的能。但這還依賴于能夠長時間同時刺激大量的神經纖維的新式電的開發。
4：發展具有自適應能力的智能型肌電假肢，以彌補使用過程中肌電信號變化的缺陷。
5：結合其他的控制信息源以彌補肌電信息的不足。如殘肢和肩膀的機械運動等。
3、再假肢控制的信號源
為了突破電子假手利用肌電控制準確性難以提高的障礙，胡天培教授和陳中偉院士等從根本上改變原有的模式，從另選控制信號源入手，將顯微外科術應用于康復程領域，在殘肢者的殘臂端上再一個“”，用以作為能夠準確傳遞人腦運動信息的信息源。其方法是：患者經身麻醉后，應用顯微外科手術，將第二足趾帶血管蒂移植到右前臂的殘端上，當再“手 ”成活后再進行康復能訓練，然后用物理學方法(如溫度、壓力、位移)將控制信息轉化為操作令，實現對電子假手的準確控制。
這種以再“”作為信息源的假肢，開拓了學與程學緊密結合的新構思，在理論上和實踐上都有重要的導意義。對患者的使用跟蹤表明，這種假肢不僅能夠正確傳遞大腦的運動信息，而且重建了重量感受能力;控制的確度高，所研制的三自由度六運動的假手的誤動作率為0%。
然而，患者安裝這種假肢時不得不承受著手術的痛苦，所需的顯微外科術也限制了它的推廣應用，而且術后所需的康復期較長。另外，單個再 所能表達的信息量非常有限，難以迅速及時地傳遞大腦復雜的令。當自由度增多時，編碼的位數也隨之增多，這不僅給患者的熟練掌握帶來了困難，而且降低了系統的穩定性及動作的準確度。為了盡量減少患者的痛苦，目前陳中偉院士正在致力于“局帶血管神經肌與/或腱移植構成信號源”的研究，使之能夠代替再“”準確傳遞大腦令。
4、以聲音作為信號源
聲控型假肢在幫助截癱病人恢復運動能方面具有無可比擬的優越性。利用患者的聲音信息，通過數字處理術(DSP)，將其轉化為相應的控制令，不僅線路簡單，而且為發展多自由度假肢開辟了新的途徑。
目前，聲控術在各個領域都取得了廣泛的應用。例如美摩星公司開發的聲控機器人，可按生口令，將內窺鏡等細長的手術器械通過小切口置于病人體內，為顯微外科手術提供穩定、清晰的圖像。WalterR等設計的 聲控輪椅模型，能夠在低等及中等水平的環境噪聲下達到幾乎的控制準確率。
聲控術在假肢上的應用也已邁出實驗階段，開始走向市場。如文獻”。中設計的簡單語言令假肢控制系統，不僅控制效果好，而且當令單詞的數量增多時，還可以對系統進行編程以完成更多的能。文獻。1所提出的語言識別的便攜式DSP系統，能夠提供足夠的控制令來對電動假肢進行準確的控制。
與肌電控制假肢相比，聲控假肢能進行的控制能更多、更方便、度也更高。它的不足之處在于平時患者與他人的交流也可能導致假肢產生誤動 作。另外，如何提高聲控假肢的抗環境噪聲能力。也是該類假肢的一個亟待解決的問題。
5、以腦電(EEG)作為信號源
腦電活動本質上是中樞神經系統作中神經和突促所產生的電噪聲。早在1875年，英生理學家RichardCaton就從兔腦和猴腦中記錄到了微弱 的電流。腦科學的研究表明，腦電活動與運動信息問存在某種聯系。如果能將EEG或它的某些分量轉化為一種新的輸出通道，與外界進行信息交換與控制，就可以用來控制假肢。為此，很多學者在這方面進行了大量的研究。文獻嘲將短潛伏期視覺誘 發電位(VEP)的幅度變化經過實時分析，轉化為神經肌肉控制器的輸入，實現膝蓋的伸展控制，準確率可以達到95%。Pfurtscheller等設計了一種 腦一計算機接口裝置(BCIs)，能夠根據使用者的想象的運動來分析識別手運動，準確率約70%，并且可以區分左手和右手的想象運動。Roberts等給出了一種基于單通道差分EEG信號的更快速和更確的實時BCIs接口系統，檢測到的EEG信號通過一個8階AR模型和貝葉斯邏輯分類器對所得到的數據進行分類，控制鼠標的上下運動，整體性能達82%。
利用從頭皮記錄的腦電EEG活動作為信息源，不需要神經肌肉控制，這樣即使嚴重的殘疾患者也能夠使用。而且電刺激不會對腦電信號的記錄產生影響。然而腦電過程是非常復雜的，目前對它的研究也只是有限的。在構一個完由腦電控制的系統上還有賴于腦科學研究的巨大突破，尚有很長的路要走。
6、以腦磁作為信號源
肌肉與神經體內的電流會產生外磁場，如心磁、腦磁等。關于生物磁 的第一次可靠的實驗測量是在1963年由Baule和McFee完成的，他們用兩個并排的線圈(梯度計)第一次記錄了心磁。幾年后，S.Williamson等人證實，使用二階梯度計可以在背景噪聲較強的環境(如市區)且無磁屏蔽的條件下，測量出腦磁信號，從而促進了生物學的發展。
發展腦磁控制的假肢，首先應該解決的是如何構人機接口，以便在腦磁信號和假肢控制令之間建立起合理的映射關系。然而，由于腦磁的復雜性，人們對它的認識剛剛起步，對它的研究尚停留在腦外科手術內重要能 區域的確定、腦能性不足的病理評估等。將其應用于假肢控制也只能處于探索階段。
上述控制信息源的缺陷迫使康復作者們為尋找新的信息源而不懈努力。神經信號被認為是一種理想的模式。它不僅不受人體疲勞程度的影響，重復再現性高，而且神經信息彼此之間互不干擾，具有佳的清晰度。
許多研究還證實，神經系統具有可塑性，不僅表現為對外界各種刺激的代償與適應能力，更重要的是在結構與能上具有損傷后修復或重建的能 神經信息的上述特征為發展具有更為逼真仿生能的高效多自由度上肢假肢奠定了基礎。基于此，Wan等提出了用神經網絡把人體上肢神經信號 轉化為控制令來控制假肢的思想。許多學者也在采用神經信息控制假肢 術上作了有益的探討，并取得了一下共識：
1)如果將具有許多微孔的硅片置于切斷的神經上，神經細胞就會再生，并與之產生電路連接;
2)電可以在持續的神經細胞響應時間周期獲得穩定的放電記錄;
3)神經的放電速率與上臂運動的空間方向之間有著較強的關系。
上述成果使得應用神經信息控制假肢術成為可能。利用神經埋藏電 引導出神經信息，經模式分類后建立起神經信息與肢體運動的映射關系，從 而控制假肢運動，將是一種理想的假肢控制模式。我們有理由相信，神經假 肢將在今后幾年內研制出來應用于廣大患者身上。它的成將為人類生活 條件的提高帶來新的飛躍。
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