JNER:通过触觉感觉替代改善下肢截肢患者的姿势稳定性

2021-11-08 MedSci原创 MedSci原创

对于截肢患者来说,佩戴假肢可以帮助他们恢复运动功能,提高生活质量。神经系统采用了一个闭合的感觉运动回路来获得流畅和自适应的运动表现。典型下肢假肢无法提供截肢造成的缺失的感觉反馈。下肢截肢患者缺乏足部与

对于截肢患者来说,佩戴假肢可以帮助他们恢复运动功能,提高生活质量。神经系统采用了一个闭合的感觉运动回路来获得流畅和自适应的运动表现。典型下肢假肢无法提供截肢造成的缺失的感觉反馈。下肢截肢患者缺乏足部与地面的直接接触以及足部机械感受器的反馈,这对平衡控制至关重要。由于感觉运动环路断裂,截肢患者通常表现出平衡和步态功能差,害怕跌倒,并且跌倒发生率较高。当截肢患者佩戴假肢时,残肢与假肢进行物理交互,并提供有限的触觉反馈,间接反映脚-地交互作用。增加假肢佩戴者的基本反馈有可能关闭感觉运动控制回路,进而改善他们的步态控制和姿势稳定性

感觉替代是对缺失的感觉信息进行编码,并通过其他完整的感觉通道将其传送到神经系统。大多数研究人员已经将触觉替代用于假肢控制。触觉反馈通常通过电触觉刺激或振动触觉刺激传递,后者更适合下肢截肢患者,因为佩戴更舒适。之前关于下肢截肢的研究要么没有检验触觉替代对平衡能力的影响,要么没有提供令人信服的有益效果。本文设计了一个简单的触觉刺激系统来提供足底压力的实时反馈,并测试了它在改善截肢患者和非残疾人的姿势稳定性方面的功效。本文发表在《神经病学,神经外科学和精神病学杂志》上()。

本文设计了一种由四个压力传感器和两个振动器组成的可穿戴设备,招募了7名经胫骨截肢的参与者作为截肢组(包括6名男性和1名女性,平均年龄40.86岁) ± 9.40岁)和8名非残疾参与者作为对照组(包括6名男性和2名女性,平均年龄23.13岁) ± 1.69岁)。参与者的截肢时间为8至26年(15.29) ± 5.99年)。六名参与者左侧截肢,最后一名参与者右侧截肢。 

姿势稳定性测试的实验装置示意图

整个实验分为两部分,在连续两天内完成。实验要求参与者在一次试验中安静地站立140秒,并在明确指示下保持稳定。在第1天,所有参与者在佩戴感觉替代系统但不打开振动的情况下完成了36次试验,分四个区块进行。他们的足底压力数据是在安静站立时收集的。这些试验也作为基线试验,用于估计每个力传感器下的力载荷范围,第2天,评估姿势稳定性,该模式通过摆动视觉场景干扰站立姿势,并检查由此产生的身体摆动。在实验过程中,视觉场景的深度在AP方向上振荡。这是通过根据视觉透视改变点的大小和点之间的距离来实现的。视觉刺激的AP运动是正弦的,具有一定的频率和振幅。由于身体摆动受振荡频率和振幅的调制,我们使用三个频率(0.1/0.3/0.5 Hz)和三个振幅(2/4/8 cm)来覆盖文献中典型报告的参数范围。

感官触觉系统的图解

截肢组和对照组在有无感觉替代的情况下均进行了姿势稳定性检查。每个参与者都经历了所有九种刺激条件,每种条件四次试验。总共72个试验被安排为8个试验区,4个有感觉替代的试验区和4个没有感觉替代的试验区。因此,每个模块由9个试验组成,9个刺激条件中的每一个都有一个试验。在每个区块内随机安排试验。参与者被要求固定在显示器的中心,显示器上没有偏心10°的移动点。随着视觉场景向AP方向移动,参与者的CoP也向同一方向移动。为了防止疲劳,在试验之间休息2到3分钟,在试块之间强制休息5分钟。整个实验持续约7小时,每天3.5小时。参与者需要在第1天在4个区块内完成总共36次试验。

在短暂熟悉该系统后,参与者在打开感觉替代时表现出更好的姿势稳定性,以抵抗视觉干扰。如头部运动和压力中心偏移所示,身体摆动显著减少。这两组参与者都有改善。本研究旨在调查下肢截肢患者是否可以通过实时振动旋转反馈来替代缺失的足底压力信息来改善其姿势稳定性。为振动旋转反馈设计了一个简单的编码方案,该方案仅利用其强度触觉心理物理原理表示体重在AP方向的变化。评估了下肢截肢受试者和非残疾对照受试者在未受干扰的安静站立和经典移动室模式下的站立稳定性。当应用感觉替代时,两组都改善了他们在各种视觉条件下的平衡控制。感官替代稳定了头部和CoP,具有较大的效应大小(例如,对于CoP和头部运动范围,部分η2分别为0.62和0.48)。感官替代带来的平衡改善在更具挑战性的条件和更大的视觉障碍下更为明显。研究结果表明,通过使用实时感觉替代来关闭断开的感觉运动环路,可以帮助改善姿势控制,并可能改善涉及脚底互动的其他动作。

安静站立时有无感觉替代的CoP

研究表明,无创性感觉替代的这些缺点是可以克服的。它为将这种方法与机器人下肢相结合铺平了道路。由于大多数驱动式下肢假肢仍然缺乏对用户的传入反馈,因此当感觉替代系统与这些系统集成以实现更好的以人为中心的闭环控制时。本文的研究仅限于在实验室环境下进行经胫骨截肢和安静站立试验的患者。此外,研究结果是基于CoP测量来量化人的姿势稳定性,这可以用其他运动测量来表征。

总之,用振动感应信号代替缺失的足部压力反馈可以改善下肢截肢患者的姿势稳定性。脚-地相互作用力和触觉信号之间的设计对于用户利用替代触觉信号进行姿势控制至关重要。

Chen, L., Feng, Y., Chen, B. et al. Improving postural stability among people with lower-limb amputations by tactile sensory substitutionJ NeuroEngineering Rehabil 18, 159 (2021). https://doi.org/10.1186/s12984-021-00952-x

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