人工肢体

背景

人造手臂和腿，或假肢， 旨在使截肢者恢复一定程度的正常功能。允许截肢者重新行走或继续使用两只手的机械装置可能自古就有使用，最引人注目的是简单的钉腿。然而，截肢手术直到公元前 600 年左右才基本成功。 中世纪的盔甲匠创造了第一个复杂的假肢，使用坚固、沉重、不灵活的铁制造截肢者几乎无法控制的四肢。即使使用 Ambroise Paré 在 1500 年代发明的铰接关节，截肢者也无法随意弯曲。当时的人造手非常漂亮，对真手进行了复杂的模仿，但并不是特别实用。上肢由柏林的 Peter Baliff 于 1812 年开发，用于肘下截肢者和 Van Peetersen 于 1844 年为肘上截肢者开发，功能强大，但仍远不理想。

19 世纪发生了很多变化，其中大部分是由截肢者自己发起的。 J. E. Hanger 是一名工程专业的学生，​​在内战中失去了一条腿。随后，他为自己设计了一条假腿，并于 1861 年成立了一家制造假腿的公司。 J. E. Hanger 公司今天仍然存在。另一位名叫 A. A. Winkley 的截肢者为自己开发了一种膝下滑套装置，并在 Lowell Jepson 的帮助下，于 1888 年创立了 Winkley 公司。他们在全国内战退伍军人聚会期间销售腿，从而成立了他们的公司。

另一位名叫 D. W. Dorrance 的截肢者于 1909 年发明了一种用于代替手的终端设备。 Dorrance 在一次事故中失去了右臂，对当时可用的假肢感到不满。在他的发明之前，它们由一个皮革插座和一个沉重的钢架组成，或者有一只戴着手套的厚重的化妆手，一个简陋的机械手，或者一个无法抓住的被动钩子。多兰斯发明了一种固定在对面肩部的开口钩，可以用背带打开并用橡皮筋封闭。他的终端设备（钩子）仍然被认为是截肢者的一大进步，因为它在一定程度上恢复了他们的抓握能力。修改后的钩子今天仍在使用，尽管它们可能被逼真的皮肤隐藏。

二十世纪见证了假肢的最大进步。现代塑料等材料制成的假肢装置比早期由铁和木头制成的肢体更坚固、更轻便。新塑料、更好的颜料和更复杂的程序负责创造相当逼真的皮肤。

二十世纪最激动人心的发展是肌电假肢的发展。肌电涉及使用来自患者手臂肌肉的电信号来移动肢体。研究始于 1940 年代后期在西德，到 60 年代后期，成人可以使用肌电设备。在过去的十年中，儿童也安装了肌电肢体。

近年来，计算机已被用于帮助截肢者安装假肢。 85% 的私人假肢设施使用 CAD/CAM 来设计模型 制作截肢者残肢的石膏成本后，在此模型周围真空成型热塑性片材以形成一个测试插座。在真空成型中，将塑料片加热，然后放入带有成本（或模具）的真空室中。当空气被吸出腔室时，塑料粘附在铸件上并呈现其形状。经过测试，永久插座以某种方式形成。患者手臂或腿的形状，可用于制备可塑造新肢体的模具。还提供激光引导的测量和拟合。

原材料

典型的假肢装置包括一个定制的插座、一个内部结构（也称为支架）、将其连接到身体的膝盖袖口和腰带、缓冲接触区域的假肢袜子，以及在某些情况下看起来逼真的皮肤。假肢制造目前正在许多层面发生变化，其中一些涉及材料的选择。

假肢装置最重要的是重量轻；因此，其中大部分是由塑料制成的。插座通常由聚丙烯制成。钛和铝等轻质金属已经取代了塔架中的大部分钢材。这些材料的合金是最常用的。假肢制造的最新发展是使用碳纤维形成轻质支架。

肢体的某些部分（例如，脚）传统上由木材（例如枫木、山核桃椴木、柳树、杨树和菩提树）和橡胶制成。即使在今天，脚也是由聚氨酯泡沫制成，带有木质内龙骨结构。其他常用的材料是塑料，例如聚乙烯、聚丙烯、丙烯酸树脂和聚氨酯。假肢袜子由多种柔软而结实的面料制成。早期的袜子是用羊毛制成的， 和一些现代的一样，它们也可以由棉或各种合成材料制成。

假肢的外观对截肢者很重要。大多数骨内假体（支架）都覆盖有柔软的聚氨酯泡沫塑料盖，其设计与患者健全肢体的形状相匹配。然后用袜子或人造皮肤覆盖这个泡沫罩，涂上颜色以匹配患者的肤色。

制造
过程

假肢不是为了在商店销售而大量生产的。与购买假牙或眼镜的方式类似，假肢首先由医生开处方，通常是在咨询截肢者、假肢师和物理治疗师之后。患者随后拜访假肢师以装配肢体。尽管有些零件（例如插座）是定制的，但许多零件（脚、支架）是在工厂制造的，送到假肢师那里，然后根据患者的需要在假肢师的设施中组装。在一些设施中，肢体从头到尾都是定制的。

测量和铸造

• 1 在假肢的制造过程中，准确性和对细节的关注很重要，因为目标是让假肢尽可能地像自然假肢一样舒适和有用。在开始制作肢体之前，假肢师会对被截肢者进行评估，并对残肢进行印模或数字读数。
• 2 假肢师然后测量相关身体节段的长度，并确定肢体其余部分的骨骼和肌腱的位置。使用印模和测量值，假肢师然后制作残肢的石膏模型。这最常见的是由熟石膏制成，因为它干得快并能留下详细的印象。从石膏模型中，创建了一个正模型——一个完全复制的树桩。

制作插座

• 3 接下来，将一块透明的热塑性塑料在一个大烤箱中加热，然后在阳模周围真空成型。在这个过程中，加热的片材只是简单地放在真空室中的模具顶部。如有必要，再次加热片材。然后，片材和模具之间的空气被吸出腔室，使模具周围的片材塌陷并迫使其成为模具的精确形状。这种热塑性塑料片现在是测试插座；它是透明的，以便假肢师可以检查是否合适。
• 4 在制作永久性承窝之前，假肢师会与患者一起工作以确保测试承窝正确安装。在腿缺失的情况下，患者戴着测试插座走路，假肢师研究步态。还要求患者解释合身的感觉；舒适是第一位的。然后根据患者输入调整测试插座并重试。因为制造测试插座的材料是热塑性的，所以可以重新加热以对形状进行微小的调整。还可以为患者穿上更厚的袜子，以获得更舒适的合身感。
• 5 然后形成永久插座。由于它通常由聚丙烯制成，因此可以像测试插座一样在模具上真空成型。手术后残端缩小是很常见的，大约一年后稳定。因此，插座通常在那个时候更换，此后当解剖结构变化需要更换时。

假肢制作

• 6 制造假肢部件的方法有很多种。塑料件——包括用作衬垫或衬垫的软泡沫件——是用通常的塑料成型方法制成的。这些包括真空成型（见上文第 3 条）、注射成型——将熔融塑料强制放入模具中并让其冷却——以及挤出，其中塑料被拉过成型模具。由钛或铝制成的挂架可以压铸；在这个过程中，液态金属被压入适当形状的钢模中。木片可以刨、锯、钻。各种组件以各种方式组合在一起，使用螺栓、粘合剂和层压，仅举几例。
• 7 整个肢体由假肢技师使用扭矩扳手和螺丝刀等工具组装 典型的假肢，在本例中是膝上假肢。泡沫罩上覆盖着人造皮肤，人造皮肤的尖端与患者的自然肤色相匹配。假肢装置在一起。在此之后，假肢师再次将永久性承窝安装到患者身上，这次是安装了完整的定制肢体。然后进行最后的调整。

物理治疗

一旦安装了假肢，患者就必须熟悉该设备并学习使用它，以应对日常生活中的挑战。同时，他们必须学习加强用于移动假肢装置的肌肉的特殊练习。当患者安装了肌电设备时，有时确实肌肉太弱而无法有效地向设备发出信号，因此再次锻炼肌肉以加强它们。一些新截肢者接受了每天清洗设备（包括袜子）的培训，并练习穿脱。

装有假臂的患者必须学会使用手臂及其锁定装置以及手。如果截肢者因事故失去一条手臂，随后安装了肌电装置，这相对容易。如果肢体的丧失是先天性的，这是困难的。已经开发出一种指导系统来教截肢者如何仅用一只手完成许多小任务。

一些装有假腿的患者也接受物理治疗。新的截肢者通常需要 18-20 周才能重新学会走路。患者还学习如何上下床以及如何上下车。他们学习如何上下山，以及如何安全地跌倒和起身。

质量控制

美国没有假肢标准。一些制造商主张建立欧洲国际标准组织，特别是因为美国向欧洲出口假肢的出口商无论如何都必须遵守这些标准。其他人认为这些规定令人困惑和不切实际；他们宁愿看到美国制定自己的、更合理的标准。

缺乏标准并不意味着假肢制造商没有想出测试他们产品的方法。一些测试评估设备的强度和寿命。例如，静态负载测试强度。在 30 秒内施加负载，保持 20 秒，然后在 30 秒内移除。肢体不应因测试而变形。为了测试故障，将负载施加到肢体直至其断裂，从而确定强度极限。循环负载决定了设备的使用寿命。以每秒一个负载的速度施加负载 200 万次，从而模拟五年的使用。如果实验性假肢能存活 250,000 次循环，则通常被认为是可行的。

未来

不少专家看好假肢的未来；至少，大多数人都认为还有很大的改进空间。假肢是一种复杂的装置，但最好设计简单。理想的假肢装置应该易于患者学习使用、几乎不需要维修或更换、舒适且易于戴上和取下、坚固而轻便、易于调节、看起来自然且易于清洁.研究的目标是这种公认的乌托邦式假肢装置，近年来取得了长足的进步。

碳纤维是一种强度高、重量轻的材料，现在被用作骨骼内部件（塔架）的基础。过去，它主要用于外骨骼假肢的加固，但一些专家声称碳纤维是一种优质材料，最终将取代塔架中的金属。

一位研究人员开发了一种软件，该软件在残端的 CAT 扫描上叠加一个网格，以指示软组织可以承受的压力大小，而疼痛程度最低。通过查看计算机模型，假肢师可以设计一个使移位的软组织量最小化的承窝。

一个实验性的压敏脚也在工作中。位于足部的压力传感器将信号发送到设置在残肢上的电极。然后神经可以相应地接收和解释信号。截肢者可以在新设备上更正常地行走，因为他们可以感觉到地面并适当地调整步态。

假腿领域的另一项革命性发展是引入了膝上假肢，该假肢具有内置计算机，可以对其进行编程以匹配患者的步态，从而使行走更加自动化和自然。