互动科普

假肢设计的开源运动

撰文  萨姆·博伊金（Sam Boykin）

翻译  吴旭东

乔纳森·库尼霍尔姆（Jonathan Kuniholm）是一名海军陆战队预备役军人，在前往伊拉克参战之前，他已经和3位朋友一起创建了Tackle Design公司，该公司主要从事技术研发服务工作。这4位年轻人此前一起在北卡罗来纳州立大学的工业工程课程学习中合作，年轻创业的热情使他们相信，从事一份有趣且对社会有意义的事业，或许比单纯为了赚钱更有生命力。在投资人的资助下，他们开发了防止鞋带松开的塑料锁模具、嵌入LED灯的鱼饵，还与母校的医学工程人员合作，参与了微创手术机器人的开发。

公司还没有步入正轨，库尼霍尔姆就被招回军队出征了。几个月后，也就是2005年元旦，库尼霍尔姆和其他35名海军陆战队员在伊拉克巴格达市西北部幼发拉底河上的哈迪塞大坝遭遇伏击。他所在的排接到任务，搜寻几个小时前向美军巡逻艇开冷枪的武装分子。当他们靠近可疑地点时，事先藏在橄榄油桶中的爆炸装置被引爆。爆炸散开的弹片重创了这些美国士兵，库尼霍尔姆也被炸上了天，重重摔到地上。库尼霍尔姆恢复神志后才发现，他的M16步枪被炸飞了一大半，右臂肘部以下受伤严重。在随后的激战中，库尼霍尔姆拖着受伤的身体找到了安全地带。他的战友叫来了飞机，把库尼霍尔姆送到后方。很快，他便在巴格达接受了手术治疗，右臂被截肢了。

回到北卡罗来纳之后，库尼霍尔姆在杜克大学医疗中心接受了一系列手术治疗。在此后的康复过程中，他在华盛顿特区的沃尔特·里德陆军医疗中心（Walter Reed Army Medical Center）接受了两种人造前臂和人造手的安装尝试。其中一种为传统的可开合钩状设备，患者通过肩膀或者胳膊来控制相连接的两个钩子的开合，控制信号由患者身上的接触装置及线路来采集和传递（参见第60页框图）；第二种是更加先进的“肌电”（myoelectric）假肢，该装置采集肌肉轻微收缩时产生的神经信号，再转化为控制信号来实现动作。收缩上肢肌肉，可以让假肢实现抓取；放松肌肉时，假肢则会完成放开的动作。

沃尔特·里德陆军医疗中心提供的两种假肢，代表了当时最新最先进的假肢设计技术。然而，当库尼霍尔姆带着这套假肢回到北卡罗来纳之后，他的合作伙伴却惊讶于这套人造前臂和手的落后。他们确信自己可以做得更好。因此，他们在北卡来罗纳州的设计公司便开始了人造假肢的研究事业。除此之外，库尼霍尔姆和他的合作伙伴还创建了一个人造假肢设计在线交流平台，即“公开假肢计划”（Open Prosthetics Project，缩写为OPP）。这个平台把许多公司联系在一起，形成了一个网络联盟，为创新思路的交流和自由传播提供便利。这个平台的最大好处就是，不光库尼霍尔姆这样身处发达国家的人们能分享最新的资源，世界其他地方的人们也能从中获益。

创新停滞

具有讽刺意味的是，OPP这样的组织引起公众注意的一个原因，竟是阿富汗、伊拉克战争中居高不下的人员伤亡率。由于急救医学技术的巨大进步，以及凯夫拉（Kevlar，又称纤维B，一种高强度的人造纤维）防弹背心等防护装置的应用，在战斗中受伤而最终死亡的概率比以前有了大幅降低。从这个角度来看，是好消息。但这也有不好的一面，那就是原本致命的伤害得到了有效治疗，越来越多的士兵保住了生命，却带着永远的伤残回了家。

然而，从绝对数量上来讲，上肢截除的人毕竟是少数，假肢市场容量也不会出现爆发式增长。库尼霍尔姆及其合作伙伴对假肢工业进行了详细调查，发现这个领域缺乏创新的原因是缺乏资本的支持。根据美国截肢者联合会统计，有170万美国人由于疾病或意外伤害而被截肢，但这些人中需要进行胳膊或者手臂截肢的患者却相对较少。大部分截肢者年龄都超过50岁，因为糖尿病或其他一些疾病而失去一条腿或一只脚，需要对胳膊或手等上肢进行截肢的极端病例仅有大约10万例，只占截肢总人数的6%。军人中需要进行上肢截除的人比例也较小。截至2007年底，共有700位从阿富汗或伊拉克战场上回来的军人需要截肢，而在这些军人当中，只有150人失去了手或者手臂。

这样一个相对较小、利润较低的市场，大多数公司都无法收回在上肢假肢研发和市场开拓中的投资。“由于缺少资本支持，假肢技术是一个发展缓慢的领域，市场也没有完全开发，”库尼霍尔姆说，“在这个领域进行创新的人都源于个人爱好，他们喜欢在自己车库里敲敲打打，拥有很强的动手能力。”

库尼霍尔姆所思考的，正是埃里克·冯·希佩尔（Eric von Hippel）所说的领导型用户——他出自这一领域，并能先于该领域的大多数人甚至公司看清重要的市场趋势。同时，这个领导型用户也期望能从市场趋势中获取巨大利益。冯·希佩尔教授领导着美国麻省理工学院斯隆管理学院的创新与创业团队，他认为这个领导型用户也必将是活跃的创新者。库尼霍尔姆坚信，把这样的领导型用户的认识融入到新产品中去，该产品必将极大地迎合用户需要，占领市场。

然而，得到一家制造商的专利授权并展开深入合作，是一件代价高昂且繁琐无比的事情，因此大多数截肢者针对假肢技术的改进建议都没有得到制造商的认可。库尼霍尔姆补充说：“绝大多数技术革新信息最后都不知所踪。”

设计共享联盟（Shared Design Alliance）旗下的网站www.openprosthetics.org正在邀请假肢使用者、工程师及其他对该领域感兴趣的人参与一个名为“改装我的胳膊”（Pimp My Arm）的活动。［这个活动的名称源于一部名叫《改装我的坐骑》（Pimp My Ride）的MTV，讲述了机械爱好者对年久失修的机器进行不断改进的故事。］参与者付出了大量时间来思考和想象，一切都是为了改进这些设备。所有的思路都是“开源”（open source）的，即没有任何事物专属某一人，所有好主意都被自由分享。

简单的解决方案

库尼霍尔姆对于OPP这个项目最大的贡献，便是对特罗特曼钩（Trautman hook，参见第61页框图）的不断改进。特罗特曼钩诞生于1925年，被归为“随意打开”型（voluntary opening）假肢设备，这意味着前端的钩子平时通过内部的橡胶带保持闭合状态。患者晃动身体或耸耸肩膀，就可以控制装置里面的线路，实现钩子的打开。听起来很粗糙很原始，但事实就是如此。就像市场中其他的钩状装置一样，特罗特曼钩在发明之后一直没有大的改进。“许多假肢制造商都盯着大规模的消费市场，他们希望生产一种能够适应绝大多数用户的产品，”库尼霍尔姆说，然而在假肢领域，“每个患者对产品性能的需求都是不一样的”。

尽管特罗特曼钩看上去并不美观，技术含量也较低，但与肌电假肢相比，特罗特曼钩能实现更多的功能，质量稳定可靠，而且造价更低廉（特罗特曼钩的成本平均在600~2,200美元之间，然而肌电假肢的成本不低于6,000美元）。

特罗特曼钩还有一个特别之处，即所谓的后锁功能，它的原理与用来夹运冰块的冰钳夹类似。冰钳夹可以把冰块的重量转化为夹紧冰块的力量，同样，患者往回拉钩子的力越大，钩子钳住物体的力量也就越大。

特罗特曼钩另一个重要的优点，就是拥有锯齿状的连锁装置，能够进一步增强抓取物体的力量。

“现在假肢设备种类繁多，但没有一种能具备如此强大的功能，”美国矫正与假肢医学会临床主任、上肢残疾领域的专家艾格尼丝·A·科伦（Agnes A. Curran）说，“我跑遍了美国很多地方，拜访了很多特罗特曼钩的长期使用者，他们对更先进的设备甚至没有丝毫兴趣。他们使用焊接、打包钢丝以及宽幅胶纸带等最原始的方式修补着这些陈旧的假肢。”

由于设计独特且耐用，特罗特曼钩得到了截肢者的追捧，特别是美国中西部地区的农牧民。然而该产品的制造商——保罗·特罗特曼公司却在上世纪90年代突然倒闭，市场上很快就很难见到这种产品了。美国北达科他州法戈市假肢医生肯尼思·M·海德（Kenneth M. Heide）的许多患者都是特罗特曼钩的忠实用户。他听说了OPP组织后，觉得将特罗特曼钩这个经典设备重新带回市场的机会来临了。在得到原特罗特曼公司的许可后，海德将四套旧特罗特曼钩租借给了OPP组织，其中两套是从他的病人那里借来的旧设备，另外两套来自于史蒂文·施托尔贝格（Steven Stolberg）——他在明尼苏达州怀特贝尔的世纪学院执教，用这两套设备授课。Tackle Design公司对这些设备进行了逆向工程研究，通过计算机辅助设计（CAD）程序建立了数字模型，并以这一模型为起点拉开了改进工作的序幕。

一开始，库尼霍尔姆和他的团队进行了简单改进，对旧钩子上已经断掉后来又焊接上的地方进行了强化加固。他们通过电子邮件，把其中一套假肢的详细参数发给北卡罗来纳州夏洛特市的Anvil原型设计公司（Anvil Prototype & Design），后者对特罗特曼钩的数字模型进行了所谓的“快速样机研究”（rapid prototyping）。Anvil公司将该设备的数字信息转换为“三维打印机”可以识别的参数，然后再用粉末和黏合剂打印出上千个薄层，一次打印一层，再把这么多个薄层叠起来，就把数字模型变成了实物模型。快速样机研究技术可以在很短时间内对设计进行优化。此后，科罗拉多州博尔德市的快速工具公司（Rapid Tool）制造了4个测试模型，使用的材料是掺杂了不锈钢粉末的青铜，制作工艺同样是层层加热、焊接和组装。Tackle Design公司把这些新的改进型特罗特曼钩捐赠给患者试用。

患者试用

对新产品进行试用的患者中，有一位名叫L·格斯·戴维斯（L. Gus Davis），今年57岁，是明尼苏达州圣彼得市一家水处理公司的总裁，他在1972年的一次摩托车事故中失去了右臂。戴维斯曾经考虑过肌电假肢，但他最终认为这个装置无法适应他的生活方式。“我仍然希望骑摩托车，使用电锯，用手劈木头，”戴维斯说，“我对假肢的要求很苛刻，肌电假肢很难满足要求。特罗特曼钩结实耐用，我当然愿意成为它的使用者。”

根据来自患者的反馈信息，库尼霍尔姆正在对下一代假肢原型进行细微地调试。库尼霍尔姆说，老款特罗特曼钩采用三个金属零件和两个螺丝的简单设计，使它可以非常容易地根据用户情况进行定制和改进。譬如，它可以改用质量更轻的合金材料，还可以改装增强它的抓取力量。但是，老款装置最大的缺点始终没有得到解决：为了保证钩子能够正常张开和闭合，其中一个螺丝必须松开，长期使用，便会导致螺丝眼变大，使螺丝变得不牢靠。为了解决这个问题，许多长期使用者将螺丝眼钻大，并在洞眼里焊上金属，重新钻出螺纹来。不过最终，重复维修会使特罗特曼钩磨损严重。北卡罗来纳州立大学的两位学生安迪·理查兹（Andy Richards）和理查德·绍格（Richard Shoge）改进了设计，从而解决了这个问题（参见第61页框图）。

科伦医生急切地等待着下一次测试的到来。她的许多患者都是二战时期的老兵，这些人大多已经上了年纪，并且习惯了现有的假肢，对这些假肢设备的改进没有多大兴趣。但最近，科伦发觉使用者中年轻患者逐渐增多，特别是从伊拉克战争中回来的军人。科伦说：“我更加喜欢看到这些年轻的使用者去研究这些设备，并且将它们与更新颖的设备进行比较。”

一些发展中国家长期陷于战乱，卫生条件简陋、生产力水平低下，特罗特曼钩这样廉价且简易的设备对这些国家更是有着无法估量的价值。在这些地区，上肢残疾的患者增长速度之快让人担忧，假肢修复对这些地区劳动力的保持具有重大意义。然而，资金的缺乏使上肢残疾的患者无法得到这种简易、廉价且耐用的康复装置。“我们需要考虑美国以外的地区，”科伦说，“例如沙特阿拉伯、印度、塞拉利昂、孟加拉国等世界其他地区，不幸的是，有些地区甚至还把砍手砍脚当作刑法手段。”

经济利益至上

为了让特罗特曼钩到达最需要它们的患者手中，最关键的环节就是找到一个能够将这个产品推向全球市场的经销商。然而做起来总是比说起来难得多。

科伦说：“我与不同的公司接触，询问他们是否愿意参与这样的项目，他们总会问同一个问题——‘一年能卖多少这样的设备？’如果这个市场没有足够的潜力，他们便不会感兴趣。”在目前已有足够多的产品可供选择的情况下，特别是这个市场长期被资金问题所困扰，再推出一款新产品又有什么意义呢？

对库尼霍尔姆而言，这种论调代表了一种自暴自弃的态度。你可能会认为所有需要发明的东西已经发明了。确实，现在有很多不同种类的假肢康复设备可以满足各种不同的需求，“但是，”库尼霍尔姆指出，“市场上至今还没有一种非常合意的能够替代手的设备。”

威廉·J·汉森（William J.Hanson）是自由科技公司（LTI）董事长。这家公司坐落在马萨诸塞州的霍利斯顿，是一家生产和销售仿生上肢设备的公司。汉森解释说，他的公司是美国第一个引入钛合金材料钩状假肢的经销商。和其他假肢设备公司一样，LTI也将注意力从钩状设备转移到其他更加现代化的机械和肌电假肢设备上。汉森说：“现在市场上大多数用身体驱动的钩状设备，都是由少数大公司提供的。”

Hosmer Dorrance公司便是这样的一家公司，它坐落在美国加利福尼亚州，在上下肢假肢产品领域有很强的竞争力。公司董事长卡尔·霍夫兰（Karl Hovland）说，近年来他收到不少关于特罗特曼钩的咨询，但该设备一直没有得到重视，因为市场回报不足以让投资者心动。霍夫兰补充说：“我们当然会关注这些，不过它的需求量还得再大一点。”美国医疗保障制度最近整合了针对矫正和假肢设备的补偿支付系统，使该领域的投资风险变得更大了。整合的结果是，对几种钩状假肢的补偿金额变小了。“如果补偿金额比我们的收费还要低，这个产业就会失去发展动力，”霍夫兰说，“我们愿意为患者提供各种优质服务，但我们必须有利可图。”

这正是问题所在。库尼霍尔姆“利润让位于公众利益”的理念总是不断地与商业社会的最低底线发生冲突。然而，在杜克大学攻读生物医学工程（biomedical engineering）博士学位的库尼霍尔姆，一直坚持不懈地为特罗特曼钩寻找生产商和经销渠道。他希望能找到一家支持电子商务，能够提供网上支付和订货的公司，当然，要是能找到一家已经在开发假肢并乐意采纳OPP设计方案的公司，就再好不过了。

库尼霍尔姆说：“现实是，传统经济模式对假肢发展起不到任何刺激作用。但这并不意味着没有人关心假肢，而是大多数人没有钱，或者不知道如何来扩大改进的影响力。我认为，如果我们分享信息，我们所创造的社会价值，将远远超过把创意商业化之后出售所带来的社会价值。我们的目标便是为需要这些技术和想法的人，搭建通畅的共享渠道。”