电刺激诱发肌梭感受器响应的肌电假肢手运动自主感知研究

Myoelectric prosthesis is a promising neuroengineering approach for hand function reconstruction, and the lack of sensory feedback has been the main reason to reject myoelectric prosthesis. Especially, the absence of kinaesthetic senses of prosthetic joint motion badly degraded the accuracy and efficiency during prosthetic control. Muscular spindle receptors and their afferent nerves provided the kinaesthetic senses feedback for limb joint action, and the neuromuscular electrical stimulation (NMES) can induce muscle contraction and activate the spindle receptor. Therefore, this project is to very that if the electrical stimulation can induce forearm muscle contraction and come into being finger-related spindle receptor response, which conveyed via afferent nerves of stump to CNS to produce the kinaesthetic senses of prosthetic fingers. The healthy and transradial amputated subjects will be involved to study the effect of electrical stimulation pattern on the single finger action, and the coordinated motion of dual fingers. Also, how to map and optimize the prosthetic finger motion to electrical stimulation parameter, the static and dynamic efficiency of NMES on the kinaesthetic senses feedback for prosthetic finger will be investigated. It is hopeful to develop a more natural kinaesthetic senses feedback for prosthetic finger, which is helpful to enhance the intuitively control the myoelectric prosthesis and the human-prosthesis interaction.

肌电假肢手是重建上肢功能的神经工程研究热点，缺少关节运动状态的直接反馈已成为影响其应用的主要障碍。肌梭感受器动态感知关节运动状态并反馈到中枢进行感觉运动信息整合，而肌纤维伸缩状态是影响肌梭感受器响应及肢体关节运动感知的关键要素。因此，申请人认为，由电刺激诱发的骨骼肌及其肌纤维收缩也将激活肌梭感受器，电流刺激残肢前臂引起的肌肉收缩可诱发手指屈伸类似的肌梭感受器响应模式，并经感觉神经传入中枢形成手指运动感知。为验证该假设，本项目将通过对健康和截肢被试前臂手外肌的拇指、食指、中指神经肌肉区域进行电刺激，系统研究：1）电刺激诱发单指屈伸、多指组合运动感知的静态量效关系；2）电刺激诱发手指连续运动姿态感知的电刺激参数映射模式及其优化；3）肌电控制假肢运动-电刺激诱发运动感知的闭环控制策略与时间响应评价。项目旨在建立一种更自然的肌电假肢运动感知反馈策略，促进假肢关节运动的自主感知和人-机共融。

运动感觉反馈缺失是肌电假肢手康复应用的技术瓶颈，而肌梭感受器及其神经传入是感知关节运动状态的信息通路。本项目旨在研究探索电流刺激残肢前臂引起的肌肉收缩诱发手指运动感觉反馈的关键技术。通过项目实施，研究证实了感觉运动皮层区域脑电信号的beta频段能有效表征电刺激诱发的运动感觉神经响应，为监测和客观评价电刺激诱发假肢运动感觉提供了重要技术参数。结合健康被试和动物实验，发现脉冲调制电刺激波形能显著增强感觉神经响应，电刺激脉冲调制模式可用于调控肌电假肢运动感觉反馈。成功将缺血性神经阻滞（ischemic nerve block, INB）技术引入用于研究手部运动感觉缺失状态下电刺激诱发的神经响应模式，建立了以健康被试模拟远端手指关节缺失的电刺激诱发运动感觉响应实验方法，更好提取了手部截肢后神经肌肉电刺激诱发的神经响应信息。通过神经肌肉电刺激诱发手指运动的关节运动学参数、中枢神经活动信息的联合分析，证实了关节运动加速度与感觉运动功能区beta频段神经活动水平高度相关，研究结果提示中枢神经更能感知关节运动模式变化，也为增强假肢运动感觉的电刺激模式优化设计提供的新思路。研制了可用于前臂神经肌肉电刺激诱发感觉反馈的多通道电刺激装置，设计了配合手指运动模式的电刺激编码方法，以及由假肢手运动状态驱动的前臂神经肌肉电刺激系统。