微处理器控制的假肢

微处理器控制的假肢是人工肢体，其行为由板载计算机实时调节。传感器持续测量负荷、关节角度和运动；微处理器读取这些数据流并调整肢体的阻力，或者在动力设计中，调整其输出以适应用户的活动。该类别包括在步态周期中改变阻尼的微处理器控制膝关节、增加净能量的动力踝关节和膝关节，以及由用户自身肌肉和神经信号控制的上肢系统。

Definition

微处理器控制的假肢是一种人工肢体，其中嵌入式处理器利用实时传感器数据来调节设备的阻力或驱动输出，使关节行为适应用户的运动和活动。

Scope

本主题涵盖计算机化假肢（下肢的微处理器膝关节和踝关节以及上肢的肌电系统）的原理、设备类型和控制输入，以及相关的证据。它不包括全身外骨骼和矫形器，这些内容在相邻主题中涵盖。本主题旨在提供参考教育，不提供关于假肢选择、安装或资助的建议。

Core questions

• 微处理器控制什么，以及基于哪些传感器输入？
• 被动（阻尼调节）和动力（能量增加）设计有何不同？
• 上肢假肢如何通过肌肉和神经信号进行控制？
• 微处理器控制的肢体与哪些结果相关联？

Key concepts

• 微处理器控制膝关节 (MPK)
• 可变阻尼与动力驱动
• 步态阶段和绊倒检测
• 肌电 (EMG) 控制
• 靶向肌肉神经再支配
• 有限状态和基于意图的控制
• 站立稳定性与摆动控制

Mechanisms

在微处理器控制的膝关节中，传感器跟踪膝关节角度和通过肢体的负荷；处理器识别步态阶段并持续设置关节的阻力——在站立时变硬以提供支撑，在摆动时放松以允许摆动——从而使肢体适应步行速度、地形和绊倒。动力假肢通过在关节处增加净能量而更进一步，其控制器使用有限状态或基于意图的方案，其分层方式与许多其他主动设备类似 [tucker-2015]。上肢肌电假肢解码残余肌肉的电活动以驱动手部和手臂电机；外科靶向肌肉神经再支配将截肢神经重新连接到备用肌肉，以创建更丰富、更直观的控制信号 [kuiken-2009]，并且神经传递信号也已被解码以控制动力腿 [hargrove-2013]。

Clinical relevance

微处理器控制的肢体因其对稳定性、跌倒、在不同地形上行走以及控制直观性的影响而受到研究。一项关于股骨截肢者微处理器控制膝关节的系统评价报告称，其与绊倒和跌倒风险以及某些步态和活动结果等指标相关联 [sawers-2013]。本条目总结了这些设备的工作原理和已研究的内容；它不是开具特定假肢处方的依据，因为这取决于个体评估和许多针对个人的因素。

Evidence & guidelines

最有力的综合证据是对微处理器控制膝关节的系统评价，该评价发现其与减少绊倒和跌倒以及一些功能益处相关，同时指出基础研究的异质性和方法学限制 [sawers-2013]。控制方法在工程学综述中有所总结 [tucker-2015]，而神经控制的演示仍然是小规模的专业研究 [kuiken-2009][hargrove-2013]。报销和处方标准因医疗系统而异，因此应直接查阅当前的支付方和临床指南。

History

微处理器调节于20世纪90年代随着计算机化膝关节的出现而进入假肢领域，这些膝关节在步态周期中改变液压或磁流变阻尼。在21世纪头十年和21世纪10年代，增加了能量的动力踝关节和膝关节以及肌电上肢控制的进步相继出现。靶向肌肉神经再支配扩展了多功能手臂的直观肌电控制 [kuiken-2009]，同样的信号解码思想后来也应用于动力下肢控制 [hargrove-2013]。

Debates

微处理器控制膝关节的成本是否高于非微处理器膝关节？

系统评价证据表明，对于某些用户而言，其具有减少绊倒和跌倒等益处，但研究质量参差不齐，益处因活动水平而异，因此成本效益和适用性仍存在争议。

神经和肌电控制的可靠性和直观性如何？

靶向神经再支配和高级解码提高了直观性和可用命令的数量，但日常条件下的鲁棒性以及手术和训练的需求使得这些方法仍在积极研究中。

Seminal works

• sawers-2013
• kuiken-2009
• hargrove-2013

Frequently asked questions

微处理器在假肢膝关节中实际控制什么？

它读取关节角度和负荷的传感器数据，推断步态阶段，并持续调整膝关节的阻力，使肢体在站立时支撑用户，在摆动时自由摆动，并适应速度、坡度和绊倒。

动力假肢和微处理器控制膝关节有什么区别？

微处理器控制膝关节主要调节阻力——它控制关节如何屈服——而不增加净能量。动力假肢包含一个电机，可在关节处主动增加能量，例如协助站立或爬坡。