基于背侧超数抓握的C5-C7脊髓损伤患者功能性工作空间扩展研究

《IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering》：Expanding Functional Workspace for People With C5-C7 Spinal Cord Injury With Supernumerary Dorsal Grasping

　　本研究针对C5-C7脊髓损伤患者因手指和手腕屈曲功能丧失导致的抓握能力受限问题，开发了Dorsal Grasper背侧抓握辅助装置。该装置利用患者保留的腕关节伸展能力，通过手背部的超数手指实现人机协同抓握。实验结果表明，该装置能显著扩展患者的可抓握工作空间，减少躯干代偿运动，为不同损伤特征的SCI患者提供了通用的辅助解决方案。

　　

当脊髓损伤发生在颈髓C5-C7节段时，患者虽然保留了腕关节伸展功能，但手指和手腕的主动屈曲能力严重受损，日常抓握功能受到极大限制。传统的代偿策略——腱固定术抓握（tenodesis grasp），通过腕关节伸展被动引起手指弯曲，虽能抓取轻小物体，但对较重较大的物品则力不从心。更麻烦的是，这种代偿性抓握可能导致过度使用损伤，且限制了可触及的工作空间。对于使用轮椅的患者来说，有限的工作空间意味着需要更多的躯干代偿运动，进一步增加了操作难度。

现有的辅助设备，无论是刚性外骨骼还是软性 wearable 设备，大多通过驱动患者自身手指来实现抓握功能。但这些设备对个体解剖结构差异（如手部大小、关节挛缩）较为敏感，且可能限制患者残留的手部灵活性。面对这些挑战，加州大学伯克利分校的Jungpyo Lee等研究人员在《IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering》上发表了他们的最新研究成果，提出了一种创新解决方案——Dorsal Grasper背侧抓握辅助装置。

这种装置的独特之处在于它采用了“超数手指”（supernumerary fingers）的概念，将两个欠驱动的手指安装在手背部，与人工手掌形成抓握结构。这种背侧抓握方式不依赖于患者手指的状态，无论患者手指是柔软还是僵硬，无论被动张开还是闭合，都能正常工作。更重要的是，患者在使用设备的同时，仍能继续利用其残留的手部灵活性，因为这种设计不会约束手指或手部的运动。

研究人员对Dorsal Grasper进行了重要升级，包括集成了弯曲传感器以提供新的控制方法，充分利用SCI受试者固有的腕关节伸展能力。他们通过对比未使用设备时的单手握持（unimanual）和双手握持（bimanual）抓握，以及使用设备时的两种控制模式（摇杆控制和腕角控制），测量了每位参与者的可抓握工作空间。

为了量化评估设备性能，研究团队设计了功能工作空间和身体代偿测试（FWBCT），在模拟轮椅受限环境的受控设置中分析功能工作空间和身体运动学。同时，通过情境访谈了解目标人群对设备的真实感知。

关键技术方法包括：设计长156mm的肌腱驱动超数手指，采用铰链机制确保侧向刚性；通过热塑性前臂套和腕部支具实现设备与身体的稳定连接；开发摇杆控制和腕角控制两种模式，后者利用弯曲传感器检测腕部伸展角度，结合距离传感器避免意外手指运动；采用PhaseSpace X2运动捕捉系统以60Hz采样率收集上肢和身体运动的三维运动学数据，通过LED标记点追踪运动轨迹。

可抓握工作空间分析

研究结果显示，脊髓损伤受试者在使用Dorsal Grasper后，可抓握工作空间得到显著扩展。四名SCI受试者（S1-S4）表现出不同的工作空间特征，但总体趋势表明，设备辅助抓握与单手握持的工作空间相当，而双手握持的工作空间最小。值得注意的是，S1受试者因手指严重弯曲，在单手握持条件下无法抓握任何物体，但使用设备后获得了可观的工作空间。

平均而言，SCI受试者的单手握持和设备辅助抓握的工作空间相似，而双手握持的工作空间最小。单手抓握方法（单手握持、摇杆控制和腕角控制模式）的工作空间随着伸手角度的减小而增加，这与伸手到身体侧面时的预期相符。相比之下，双手握持的工作空间随着角度的减小而减小，与其他方法之间的差异也随之增大。

功能工作空间和身体代偿测试结果

成功率方面，设备辅助模式下的FWBCT任务实现了100%的成功率，显著高于未使用设备条件下的64.7±17.3%。然而，当佩戴设备但不使用它进行单手握持时，成功率从41.7±31.2%显著下降至12.5±25.0%，表明设备重量或腕部支具可能对某些受试者的腱固定术抓握产生干扰。

完成时间和运动距离分析显示，SCI受试者在使用设备后，手腕运动距离显著缩短，表明抓握动作效率提高。尽管完成时间没有显著减少，但设备使SCI受试者能够进行更有效的抓握动作。特别值得注意的是，在使用设备进行“大型物体侧向FWBCT”任务时，所有SCI受试者均能成功完成抓握，而无人能在未辅助的单手握持条件下完成该任务。

躯干旋转分析

设备辅助模式显著减少了SCI受试者的躯干旋转范围。在横向旋转和侧向弯曲方面，设备辅助模式与双手握持相比均有显著降低，有时甚至优于单手握持。对于SCI受试者，设备辅助模式在所有任务配置中通常导致比无设备模式更小的躯干旋转。

单手握持时，SCI受试者表现出比正常受试者更大的运动范围，可能由于手臂和手部力量较弱，需要更多的身体调整来完成任务。而在设备辅助模式下，两组受试者之间的差异减小到小于5°，表明SCI受试者能够以更接近正常人的运动模式完成任务。

设备传感器数据观察

研究发现，在腕角控制模式下，受试者会根据物体特性调整抓握策略。对于较大的物体，一些受试者在电机停止后仍会进一步伸展手腕以增强抓握安全性，表明用户能够感知并直观地响应物体特性来改善抓握状态。

用户反馈与访谈分析

所有SCI受试者都表示在FWBCT任务中更倾向于使用设备而非徒手操作。S3受试者特别指出：“对于超重的物品，这（设备）绝对更好。”S4受试者评论道：“我感觉使用设备时不必过多伸展身体，也不需要使用那么多肌肉。”

舒适度评价较为多样，三名受试者评分4/5，一名评分2.5/5。主要关切点包括设备重量和手指长度。关于控制模式，受试者对摇杆控制和腕角控制各有偏好，前者提供精确控制，后者更为直观。

在潜在应用场景方面，受试者提出了从烤箱取热食、超市货架取物、厨房操作和开抽屉等任务，这些都与设备在身体侧方施加大力抓握的能力相符。然而，部分受试者对实际应用仍持谨慎态度，强调了进一步优化的重要性。

研究表明，Dorsal Grasper成功结合了单手握持的大工作空间和双手握持处理大重物体的优势，为SCI患者提供了全面的抓握解决方案。设备辅助抓握不仅扩展了可达工作空间，还减少了完成日常任务所需的躯干运动，这对于身体运动和方向受 kinematic 限制和轮椅使用的 tetraplegic 个体尤为重要。

该研究的创新点在于提出了背侧超数抓握的新范式，通过人机协同方式弥补了传统辅助设备的不足。与驱动患者手指的设备不同，Dorsal Grasper允许用户通过身体力量补偿抓握状态，而不会产生延迟或物理阻力。这种协作抓握方式为未来研究人机系统中的用户参与提供了新思路。

然而，研究也存在一定局限性，如使用特定圆柱形物体定义工作空间可能无法完全代表真实环境中的各种物体特性；实验室环境与家庭日常使用的差异；以及尚未全面评估设备对用户本体感觉和拥有感的影响。

总体而言，Dorsal Grasper为代表的新型辅助技术为脊髓损伤患者提供了增强日常功能的新途径。通过扩展可达工作空间同时避免大幅度的躯干运动，该设备有望显著改善使用者的生活独立性。未来的设备开发和家庭环境测试将进一步验证其实际效用，为真正实现技术转化奠定基础。