假肢控制中感知反饋技術的研究進展

【作者】梁斌，盧彥慧，黃異，張政，陳穎，蔣睿，孫富華,

1 西南醫(yī)科大學附屬醫(yī)院 康復醫(yī)學科，瀘州市，646000

2 西南醫(yī)科大學 康復醫(yī)學系，瀘州市，646000

0 引言

假肢作為替代截肢患者肢體部分缺失或受損功能的重要輔助工具，通常包括上肢假肢和下肢假肢。截至2017年，在我國的各類殘疾中，肢體殘疾患者超過三分之一，其中大部分為四級殘疾，假肢的需求量巨大[1]。傳統(tǒng)假肢控制方法單一，需要花費大量的時間和精力訓練和適應，在許多情況下，要重新培訓和學習如何使用某些肌肉群。傳統(tǒng)假肢沒有反饋功能，使用者只能集中注意力，時刻觀察假肢的使用情況，這會大大影響患者其他日?；顒?。為解決這一難題，利用微加工技術，基于先進材料設計和人體神經(jīng)肌肉系統(tǒng)，開發(fā)了輕便的假肢。新型假肢可以從截肢者的殘肢或先天不同肌肉收縮中感知肌電信號，使其控制更簡便[2]。為了控制更精準，有研究者在假肢上附加了震動刺激反饋、機械刺激反饋、電刺激反饋、皮膚形態(tài)刺激反饋和聲音刺激反饋等感知反饋系統(tǒng)[3-5]。

感知反饋系統(tǒng)可將假肢傳感器接收的信號反饋給佩戴者，進而輔助佩戴者利用反饋信號靈活操控假肢動作。根據(jù)國內(nèi)外研究，感知反饋系統(tǒng)根據(jù)反饋終端在人體上的位置，可以分為侵入式反饋和非侵入式反饋。下面分別以這兩種方式分析感知反饋系統(tǒng)在假肢的應用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，以期能給予進行假肢感知及其反饋技術研究的相關研究人員一定的借鑒和參考。

1 侵入式反饋

假肢侵入型反饋是指通過外科手術，在患者的殘肢中植入電極，從而完成對假肢的反饋控制。根據(jù)所刺激的神經(jīng)和方式不同可分為針對性神經(jīng)刺激、周圍神經(jīng)刺激和中樞神經(jīng)刺激三類[6]。其中周圍神經(jīng)的刺激技術相較其他方式更易實施且手術風險更小，是目前發(fā)展得最為成熟的侵入式反饋方式。

1.1 靶向神經(jīng)刺激反饋

靶向神經(jīng)移植術是指通過手術干預，將之前支配被截肢肢體的神經(jīng)轉(zhuǎn)移到另一個更近端的位置，以避免截肢的影響。該技術主要通過增加控制部位的數(shù)量來減輕假體的運動控制，而且重建的神經(jīng)還可以把感知信息傳遞到覆蓋在肌肉上的皮膚。靶向神經(jīng)移植術主要用于肩關節(jié)脫位、經(jīng)肱骨和橈骨的截肢患者。

HEBERT等[7]通過比較皮膚壓力敏感性閾值和解剖感覺圖，研究了三種不同感覺神經(jīng)移植技術的效果。證實了當把正中神經(jīng)的感覺束或尺神經(jīng)的感覺束連接到皮膚區(qū)域時，手的感覺是可以恢復的。神經(jīng)移植后能夠?qū)袤w進行直觀的運動控制，而且可能有助于探索未來的感覺增強技術，以應用于閉環(huán)假體控制。

1.2 中樞神經(jīng)刺激反饋

基于“腦-機-腦接口”的假肢通常是從大腦的運動區(qū)域（motor cortex）提取運動指令，在體感區(qū)域（somatosensory cortex）傳遞皮質(zhì)內(nèi)微刺激反饋，將觸覺信息反饋到相應的區(qū)域[8]。研究發(fā)現(xiàn)[9]，對體感區(qū)域傳遞皮層進行電刺激，同時對橡膠手進行刺激，可以誘發(fā)身體所有權的感覺。而且，即便是四肢癱瘓患者，也可以通過運動皮層的皮質(zhì)神經(jīng)界面控制多自由度的假肢[10]。

CALDWELL等[11]利用開發(fā)的信號恢復算法，恢復受試者受到刺激時的侵入性電生理信號。研究中顯示這種方法可用于皮質(zhì)電圖（electrocorticographic,ECoG）陣列和深部腦刺激（deep brain stimulation,DBS）神經(jīng)信號的恢復。

大腦皮層與肌肉運動的關系也極為密切，肌肉運動前大腦會發(fā)出指令，植入大腦的電極會采集大腦信號，進行分析后控制假肢運動。由于是腦信號直接控制假肢運動，所以對殘肢肌肉的要求不高，但如果要將電極植入大腦中，風險極高，且大腦信號較其他信號更為復雜。

1.3 周圍神經(jīng)刺激反饋

刺激周圍神經(jīng)就是采用電刺激的方法刺激患者殘肢內(nèi)的殘余神經(jīng)，將反饋信息通過神經(jīng)直觀地反饋給患者，從而實現(xiàn)對假肢的直觀控制與感覺[12]。這種方法的優(yōu)點是：神經(jīng)具有可塑性，在不同環(huán)境、各種刺激下，神經(jīng)會表現(xiàn)出強烈的代償與適應能力。在結(jié)構與功能上，損傷后的修復和重建的能力也是極強的。另外，神經(jīng)的電生理活動不會因疲勞而不準，神經(jīng)信號的可重復性很高，而且神經(jīng)信號在傳遞時彼此之間互不干擾，便于辨別出正確的神經(jīng)信號[13]。

CRACCHIOLO等[14]同時采集了截肢患者在試圖做抓取動作時的表面肌電和神經(jīng)內(nèi)信號。然后對每個神經(jīng)信號中的單個單元活動（single unit activity,SUA）進行排序，以確定信號最活躍的單元。并利用采集的肌電信號提取了肌電包絡線，通過一種轉(zhuǎn)換器反映抓取動作所需力和速度的水平。研究中使用不同的解碼方法基礎的肌電信號，實驗結(jié)果（見表1）顯示，利用周圍神經(jīng)信號重建的表面肌電反饋方式，可以使抓取動作的精確度達到85%。本研究創(chuàng)新地利用橈骨截肢患者外周神經(jīng)信號解碼假肢的抓握力和速度，此方法依賴于使用SUA重建的肌電包絡。由于只在訓練階段依賴肌電圖，此方法可以充分利用植入神經(jīng)接口的優(yōu)勢方法可以充分利用植入神經(jīng)接口的優(yōu)勢，并有可能在中長期內(nèi)克服目前最先進的方法。

表1 不同感知反饋技術的統(tǒng)計對比Tab.1 Statistical comparison of different sensory feedback techniques

2 非侵入式反饋

通過侵入式反饋，受試者雖然可能感受到更接近本體的觸覺，但許多患者不喜歡手術干預?；诖?，有研究提出使用非侵入式的感官通道或不同的反饋方式向假肢用戶提供感官信息，如電-觸覺反饋、震動-觸覺反饋、機械-觸覺反饋、皮膚拉伸反饋和聽覺反饋等，如表1所示。

2.1 電-觸覺反饋

非侵入式電-觸覺反饋方式是利用皮膚表面配置的電極施加一定參數(shù)的電刺激，從而引發(fā)受試者的感知反饋。此類反饋方式可通過調(diào)控電流的波形、幅值、頻率和占空比等參數(shù)，使受試者產(chǎn)生癢麻、疼痛、灼燒等感覺。但為了使假肢的動作與感覺反饋相匹配，受試者需通過前期的訓練將反饋信息與刺激參數(shù)、位置等建立關聯(lián)模式[23]。非侵入式電刺激反饋在響應效率和自然感官方面不如侵入型反饋方式，但非創(chuàng)傷、易操作等優(yōu)勢使非侵入式電刺激反饋在肌電假肢控制中得以廣泛研究。

ARAKERI等[15]利用傳感器將接觸力和手指成環(huán)的大小兩組參數(shù)的電信號通過頸部左、右側(cè)配置的兩個獨立電極反饋給受試者，讓他們利用反饋信息區(qū)分27個不同重量、尺寸和柔韌性的物體。研究結(jié)果顯示，在沒有訓練的情況下，受試者的識別能力遠高于隨機猜測。進一步地，經(jīng)過5天的訓練，受試者的識別能力提高了75%左右。簡單、無創(chuàng)的電-觸覺反饋可以提供有用的感知反饋，可有助于改善對假肢的控制。GARENFELD等[16]開發(fā)了具有空間編碼和幅度編碼兩種新穎的多通道電觸覺刺激反饋方式，并通過手腕旋轉(zhuǎn)和手孔徑等本體感覺信息的傳遞，對在線肌電控制過程進行評估。研究中利用空間編碼和振幅兩種反饋配置，受試者完成特定任務的成功率高于90%。結(jié)果顯示，兩種反饋配置集成在兩自由度假體中，增強了假肢的實用性。

2.2 震動-觸覺反饋

震動-觸覺是觸覺反饋最常見的形式，利用震動刺激人體觸覺器官獲得反饋信息，對于人體而言可以感受到小于1000 Hz的重復壓刺激。在早期的假肢中的震動反饋設備笨重且不完善，而近年來隨著設備的更新?lián)Q代，震動器變得普及且低耗，甚至有嵌入式的插座來避免電線對于行動的阻礙[24-25]，并且伴隨著顫振系統(tǒng)的應用研究，震動反饋的使用能夠通過更好地控制抓地力和降低任務執(zhí)行中的錯誤數(shù)量來提高用戶的性能。

RAVEH等[17]利用震動刺激反饋輔助sEMG 信號控制右手假肢抓握物體，同時讓左手操縱電腦進行汽車游戲。在受試者左、右手同時進行不同任務時，研究者用眼動儀對其注意力進行評估。研究發(fā)現(xiàn)，有無震動刺激反饋對受試者的視覺注意力或表現(xiàn)時間并無顯著影響。GONZALEZ-RODRIGUEZ等[18]利用單一的震動-觸覺致動器將震動信息傳遞給參與實驗的受試者，通過驅(qū)動模式、頻率和振幅參數(shù)的選擇來區(qū)別不同的反饋水平。研究發(fā)現(xiàn)，圖案形狀、振幅和頻率的變化對反饋感知影響不顯著，但減少反饋水平的量級可以提高反饋感知的準確性，這表明在上肢假肢上應用震動刺激反饋時，有必要對參數(shù)進行微調(diào)。

2.3 機械-觸覺反饋

機械-觸覺反饋通常是指由外物對皮膚施加推力，如果在假肢手指上顯示壓力的作用，此時感知到的信息與施加的外部刺激相同，可以認為是一種模態(tài)匹配的感覺反饋[26]。這種機械-觸覺反饋可引起顯著的類本體感覺，感知的刺激信息與自體手的真正觸覺類似。與其他反饋方式相比，機械-觸覺反饋擁有足夠精準的優(yōu)勢，其中的模態(tài)匹配系統(tǒng)需要的認知水平更低[27]。CIPRIANI等[28]利用模態(tài)匹配力反饋，讓受試者通過改變他們食指和拇指的間距來控制機械手的兩個相反的手指，并完成抓舉任務。假肢指尖施加在測試對象上的作用力反饋到右大腳趾和第二個腳趾。實驗結(jié)果顯示，受試者可以將腳接收到的力反饋納入他們對機械手的感覺運動控制中。ANTFOLK等[29]提出了一種多位點機械觸覺系統(tǒng)的概念，并利用它研究了經(jīng)徑向截肢殘余肢體的定位和壓力水平判別，真正的智能假肢也同樣未來可期。

SHEHATA等[19]基于橡膠手錯覺原理，利用感覺模擬假肢評估機械-觸覺反饋、主動運動控制及兩者結(jié)合對假肢控制的作用程度。結(jié)果表明，感覺模擬假肢與上肢截肢患者配置的假肢可以表現(xiàn)出類似的動作方式。當在主動運動控制任務中，機械觸覺感覺反饋不僅有助于改善受試者所有權和位置感，而且可能對控制權有調(diào)節(jié)作用。此工作使研究和控制影響假肢中主動電機的復雜參數(shù)成為可能，使假肢的操控定量化、更精準，而不僅僅依賴主觀感知。

2.4 皮膚拉伸反饋

關節(jié)運動一般伴隨著皮膚拉伸，相反，利用皮膚拉伸同樣可以傳遞關節(jié)位置和速度的信息。而且相較于震動-觸覺反饋或電-觸覺反饋，皮膚拉伸反饋的信息更直觀[30]。

BARK等[31]使用的臺式皮膚拉伸裝置與力傳感器控制的虛擬物體的盲閉環(huán)定位任務中，將單個震動-觸覺反饋和無反饋進行了比較。受試者在皮膚拉伸反饋方式作用下感知位置和速度的誤差最小。研究發(fā)現(xiàn)，有必要給出物體的動力學信息，以顯示震動或皮膚拉伸提供的相對粗糙的反饋的優(yōu)勢。由于假肢反饋控制的不一致性和噪聲特性，加上非線性關節(jié)動力學，將使開環(huán)策略不太有效，而觸覺顯示更有益。該團隊進一步利用一種可穿戴的觸覺反饋設備根據(jù)旋轉(zhuǎn)皮膚拉伸以提供關于虛擬對象運動的反饋[20]。該設備使用了一個小型壓電電機，這種電機重量輕、扭矩適中、轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，不會產(chǎn)生干擾拉伸感覺的震動。實驗結(jié)果顯示，受試者可以使用該設備的反饋來控制一個虛擬對象的方向，并能使精度保持在幾度范圍內(nèi)。受試者被要求識別在被動狀態(tài)下隨機施加的皮膚拉伸水平，但此時的準確率較低，受試者會混淆正旋轉(zhuǎn)和負旋轉(zhuǎn)。

SHEHATA等[21]開發(fā)了一個實驗方案來定量和定性評估非侵入性震動肌肉腹部時所引發(fā)的本體感覺的動覺錯覺。并通過皮膚拉伸反饋的整合來操縱皮膚信息，以提高錯覺的一致性和強度。研究中對截肢患者（膝蓋以下）進行的初步測試結(jié)果表明，拉伸皮膚同時震動殘肢腹部肌肉（90%）會比僅震動肌肉（50%）產(chǎn)生更強烈、更一致的動覺錯覺。而且拉伸皮膚可以提高肌肉震動引發(fā)的幻覺運動的范圍（1.5倍）和速度（3.5倍）。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，皮膚拉伸可能使各種動作控制回路中控制反饋機制得以發(fā)展，將改善下肢假體的性能。

2.5 聽覺反饋

增強反饋可以方便地傳遞人工本體感覺和外部感覺信息，有助于建立強有力的內(nèi)部模型。與視覺反饋不同，音頻需要較少的注意力集中，并減少分心[26]。SHEHATA等[22]已經(jīng)在機器人遙控操作和腦-機接口（brain computer interface,BCI）中使用了音頻增強反饋，在虛擬目標捕獲時間受限的任務中，使用通過音頻反饋增強的濾波控制策略，評估短期性能和內(nèi)部模型強度。結(jié)果顯示，在使用肌電控制器進行訓練以提高其內(nèi)部模型強度時，向假肢佩戴者提供音頻增強反饋可提高其完成任務的成功率。

3 總結(jié)與展望

侵入性反饋可以通過外科手術植入的電極來提供，該電極以殘肢內(nèi)的傳入神經(jīng)為目標，可更加精準、快速地傳遞大腦的信號，但現(xiàn)有的手術不夠成熟且風險較大，同時患者的接受程度存在不足并具有引發(fā)接近自然的觸覺的潛力。

非侵入性刺激通常依賴于個體學習，以正確識別人工感覺刺激的能力。震動-觸覺依賴于微型馬達與皮膚之間產(chǎn)生的震動，而電-觸覺刺激需要傳遞電脈沖使皮膚觸覺激活。此外，皮膚拉伸、聽覺反饋以及視覺反饋等也都是無創(chuàng)的反饋方式。然而，此類方法相較于侵入式反饋也存在一些缺陷。一方面，觸覺界面的帶寬有限。由于受生理和技術的限制，只有有限數(shù)量的信息可以傳輸給用戶。另外，所提供的反饋可能是非直觀的，因為用戶被要求通過依賴不同性質(zhì)的變量控制假體變量。這意味著提供的信息在正常情況下不用于在線控制。受試者通常使用視覺、手觸摸或者壓力來控制運動，而震動頻率或強度是一種新的和不熟悉的輸入。因此，依賴于觸覺的感覺替代意味著訓練和適應，隨著反饋復雜性的增加，訓練和適應變得更長、更乏味。另一方面，具有復雜編碼方案的多通道接口變得越來越重要，其靈活的多功能系統(tǒng)更適應現(xiàn)代假體。

假肢的感知反饋技術已研究了多年，但在臨床應用中還有許多問題亟須解決，如反饋分辨率小、傳感器體積大、精度不足、訓練難度大等。因此，為使肌電假肢更逼近本體肢體的感知能力，開發(fā)尺寸小、分辨率高的傳感器仍是關鍵。另外，利用軟件和硬件平臺的靈活性，建立一個假體局域網(wǎng)絡、模塊化的反饋系統(tǒng)，可以適應幾乎任何應用場景，例如使用智能手表或智能手機來傳達各種離散事件（如觸摸、滑動、功能切換等）或連續(xù)變量（如力、孔徑、肌電圖、手腕旋轉(zhuǎn)等），通用智能設備可以取代功能（如震動觸覺刺激），提供完整的閉環(huán)控制解決方案，是近年來智能假肢的另一個研究熱點，這種系統(tǒng)可以集成模式識別/回歸訓練、自適應以及反饋。未來的假肢技術路線將是多種反饋技術相結(jié)合，能夠精準而快速地做出肌電信號的反饋，以較完美地替代假肢佩戴者的殘缺肢體行使應有的功能，提高其生活質(zhì)量。