每隔 30 秒,世界上就会有一个人因为糖尿病导致的血管病变而面临腿部截肢。此外,癌症、先天畸形和外伤同样可能让身体不再完整。

对于这些病患,要想重新自如地行动,就得靠各种各样的假肢,这些假肢是怎么工作的?如何让假肢看上去更自然?

今天的假肢普遍采用骨骼式结构,由接受腔、关节组件、连接管和足部构成。如果觉得过于裸露,可以在外面包覆泡沫套模拟肉感。

最上方的接受腔与身体连接,传递作用力,需要依据肢体形状独家定制。

制作时,先用石膏绷带取下肢体的阴模,灌入石膏得到阳模;套上 PVA 薄膜,用 30kPa 的负压抽真空;接着逐层套上碳纤维布等高强度织物,以 PVA 薄膜收尾;最后负压浇注丙烯酸树脂,固化后修剪。

接受腔的口型非常重要。1985 年以前,四边形接受腔独霸业内。人体骨盆下方的坐骨起承重作用,前后短径的口型设计让坐骨结节落在接受腔后壁上缘,但内外长径导致侧面支撑不足,坐骨容易向内移动,活动并不自然。

如今,更符合人体生物力学的坐骨包容式接受腔则容纳了坐骨结节,并利用股骨及其附近软组织分担体重,外侧高于大转子令股骨保持内收,肢体受力分布更均匀。

不过,有些人可能会对接受腔中的合成树脂过敏,这时还有另一种选择——植入式骨整合假肢(OPRA),类似种植牙。将钛管插入股骨,缝合伤口,体内经过止血、消炎、增殖、造骨,六周后,新生的骨头已经附在钛管表面,接下来只需安装基台和螺钉,就可以连接假肢了。

但由于存在植入体松动断裂和伤口感染的风险,自 1990 年以来,全球仅 14 个国家的 500 多人实施了这种手术,目前在中国也只有山羊参与实验。

相比接受腔,关节组件才是假肢的核心,决定人是否能自由地行走跑动。

这是一段正常的步态周期,分为支撑期和摆动期。假肢膝盖的关节组件必须在这两段时期提供辅助,可分为单轴关节和多轴关节。

以多轴关节为例,通常采用四连杆结构,转动中心以一定轨迹移动,类似膝关节的活动状态,足以为支撑期提供稳定。

在摆动末期,假肢受到的冲击较大,需要气压或液压装置缓冲,主要由缸体、活塞和活塞杆组成。膝盖弯曲时,缸内的气体或硅油受到挤压储存能量,在伸展时释放,产生不断变化的非线性力矩,与正常的肌肉运动相似。

一副普通的机械关节大腿假肢价格约 2 万元,能基本满足行动需求,但有时反应滞后,远不如智能假肢来得自动化。

1997 年,行业巨头 Ottobock 推出全球第一款智能膝关节 C-Leg,核心是当中的微处理器。

健全的双肢正常行走时,大脑的运动皮层向脊髓发出信号,让其中的神经细胞激活腿部负责伸屈的运动神经元,紧接着腿部神经向大脑反馈,这样的反射回路每秒发生 20 次左右。

穿上 C-Leg 后,膝关节和踝关节的传感器充当腿部神经,将角度、位置、加速度等信息传送给微处理器,由这枚「大脑」实时调节液压系统。只有腿完全伸直且前脚板承载 70% 的体重,才会切换到摆动状态,反应更及时。这样一副智能大腿假肢可达 20-30 万元。

此外,还有更先进的仿生足,配备了由直流电机和弹簧组成串联弹性驱动器,能主动提供动力。工作时,它可以通过贴在皮肤上的电极贴片,采集剩余肢体中收缩或舒张的肌电信号,转化成假肢的运动信号,更接近健全肢体的自然步态,即便是跳拉丁舞这种高难度动作也能轻松完成。

这款 BiOM 公司的小腿仿生足同样价格不菲,一副就要 57 万元。

不过,假肢虽然能恢复身体残缺者的行动能力,却无法解决他们的另一个苦恼——幻痛,一种感觉失去的肢体依然存在并持续疼痛的体验。

根据这项研究,在截肢者中有 72% 的人会出现幻痛,必须依靠长期的药物、手术或行为心理疗法等方式才会痊愈。

然而,这对中国的残疾人来说都是奢望。根据 2013 年的一项统计,他们中约有 75% 是农村居民,70% 只有初中小学学历。

因病致贫的窘境让大部分肢体残疾者连普通假肢都买不起,只能向地方残联申请为数不多的免费假肢装配名额,或者亲自上阵,用木头、金属,自己造一副合适耐用的机械腿。