北京有什么地方治疗白癜风 http://m.39.net/pf/bdfyy/点击订阅“CAAI认知系统与信息处理专委会”假肢手的研究涉及从用户(神经或其他)获得的信号推断运动意图以及执行控制。目前主要仍是使用视觉的单向传出神经信号假肢系统。在健康人中，肢体控制不仅依赖于视觉信息，还依赖于肢体状态及其与物体相互作用的体感信号，即躯体感觉在肢体控制中扮演着重要角色。因此，在仿生肢体中恢复触觉和本体感觉反馈是至关重要的。灵巧手不仅需要获取控制信号来驱动机械手的运动，而且需要通过传感信号向用户传递这些运动的结果。近期NatureBiomedicalEngineering发表了“Restorationofsensoryinformationviabionichands”，描述了通过仿生手传递人工感觉反馈的无创和有创技术，并评价了这些技术的长期前景。文中介绍了一些策略包括机械或电刺激皮肤，以传递关于肢体状态(如姿势和运动)及其与物体相互作用的信息(见图a和“非侵入性感觉反馈”部分)。其他策略包括手术植入与周围神经或大脑连接的装置，通过向神经元注射小电流直接激活神经元(见图b、c和“周围神经系统接口”和“中枢神经系统接口”部分)。不同的技术需要不同的成本和收益，并且在不同程度上适用于不同的用户群体。图通过仿生手恢复感觉反馈技术。a，无创感觉反馈。仿生手上的传感器产生对皮肤的机械或电刺激，以传递关于接触物体的信息。b，通过周围神经系统电接口的感觉反馈。仿生手上的传感器产生对神经的电刺激，以引发与假手相关的感觉。c，通过中枢神经系统接口的感觉反馈。仿生手上的传感器产生对中枢神经系统的电刺激，以引发与手相关的感觉。非侵入性感觉反馈非侵入性策略，无需手术干预即可传达与用户身体的感觉反馈接口。虽然非侵入式接口提供仿生感觉反馈的潜力有限，但由此产生的感觉替代可能足以支持一定程度的灵活性。.电触觉刺激和经皮神经电刺激电触觉刺激包括通过皮肤注射电流，从而激活触觉神经纤维。这项技术于年3日被引入仿生手，用来传递感官反馈，它引起的感觉是不自然的，通常被描述为“电”、“振动”或“刺痛”，而且经常是不愉快的。电触觉刺激通常不会产生与手相关的感觉，因此这些感觉不是躯体感觉；然而，通过几天的训练，使用者可以学会解读非躯体化电触觉反馈。虽然电触觉反馈已被证明支持触觉物体识别，但它的实用性还没有在实验室之外得到证明。与电触觉刺激一样，经皮电神经刺激(TENS)涉及到电刺激传递到皮肤。然而，该装置不是以局部支配皮肤的神经纤维为目标，而是被放置在支配更远端皮肤部位的神经上，从而唤起与这些部位相关的感觉。由此产生的感觉反馈提高了用户执行任务的能力，例如用仿生手辨别物体和调节握力，有时达到与直接刺激神经所达到的水平相媲美。然而，与电触觉刺激一样，TENS引起的感觉是不自然的。基于电刺激的反馈有两个主要优势:电极重量轻，可以很容易地集成到假体插座中;与机械刺激相比，电刺激消耗的电力很少。然而，电触觉刺激的效果在很大程度上依赖于皮肤水分，这使得效果波动很大。.机械触觉刺激机械触觉刺激产生自然感觉，原则上可以传达直观的感觉反馈。例如，对假手指施加的压力可以通过对皮肤施加压力来传递。机械触觉反馈的主要缺点是，机械触觉刺激器很难小型化，而且通常是耗电的。这些限制阻碍了这种装置在临床环境中的应用。.3振动反馈机械触觉反馈也可以由振动器提供（如图a所示），振动振幅或频率可以根据手的状态、接触参数或物体属性进行调制。振动反馈已经被用来传达手的孔径，抓握力，抓握速度，物体顺应性和表面纹理的信息等。然而，在所有情况下，用户都需要学会解释这种反馈，因为接触动态或物体属性与产生的感官体验之间的映射是任意的。与机械触觉反馈一样，振动反馈受限于振动器的体积、刚度和功率消耗，振动器依赖于电磁偏心电机、静电压电致动器或基于电活性聚合物的致动器。一个可能的发展方向是开发柔软的气动执行器，它更轻，耗电更少。.4振动反馈和电触觉反馈的集成振动触觉和电触觉刺激可以结合起来提供感觉反馈（如图b所示），从而同时提供两个部分独立的信息流。用户可以通过有限的跨模态交叉（例如，三个振动触动器和三个电触动器；总共九个刺激部位）来区分每个模态中的刺激强度。图非侵入性刺激的例子。a，硬币马达阵列用于提供振动触觉反馈。b，电触觉和振动触觉刺激器组合的配置。周围神经系统接口为了恢复感觉反馈，非侵入性技术需要通过皮肤激活躯体感觉神经。这限制了空间分辨率，由于电流的扩散或限制的密度的因素。有限的空间分辨率反过来又限制了可实现的感觉信号的带宽。为了克服非侵入性策略的局限性，神经纤维可以通过一个电接口直接激活。.体感神经接口肢体丧失导致机械感受端器官丧失;然而，体感神经和将信号从这些器官传递到中枢神经系统的下游通路仍保持功能。激活神经从而激活这些通路，并引发触觉和本体感觉。需要外科干预来刺激体感神经的方法最早建立于年，在上肢正中神经周围和下肢股神经周围放置单通道神经外袖带电极。被唤起的感觉是指幻肢，通常是弥漫性的，不稳定的，被描述为感觉异常。神经外接口围绕周围神经，但不在神经内插入成分，对神经组织的干扰最小。因此，这些接口往往特别健壮。事实上，圆形电极在机械上符合神经在临床应用中已经稳定了几十年。圆形结构的一个缺点是它提供很少的表面积与神经组织相互作用。为了增加表面积和接近神经组织(不穿透神经)，平面接口神经电极(FINE)——另一类神经外电极对神经进行减压，允许选择性地刺激单个神经束，可能还包括神经束下神经束(图3a)。植入中位神经、尺神经和桡神经的细针已经被证明多年来对刺激产生稳定的敏感性。在神经内接口中，电接触穿透神经。最常用的构型是纵向筋膜内电极(LIFE)，其导线包含沿着神经前进的多个触点;横向筋束内多通道电极(TIME)，其多接触导线穿过神经厚度植入(图3b);犹他斜电极阵列(USEA)，由00个柄排列在4×4mm的区域上，长度沿着神经的远端近端轴逐渐增加(图3c)。自开放神经接口(SELINE)是一个三维版本的时间接口，由一个主轴由“翼”组成，旨在提高种植体的稳定性。由于电接触嵌在神经内并与神经纤维相连，所以神经内接口可以有更选择性的刺激。它们可以保持稳定至少6个月，但长期的长期稳定性还没有测试。另一种与神经建立接口的方法是让神经生长到刺激通道中，从而在电极和神经组织之间建立亲密的连接。然而，这项技术的发展还处于早期阶段。另外，也可以刺激感觉神经进入脊髓的外侧脊髓。这已被证明可诱发幻手的空间受限区域(如手指)的触觉感知。这种方法的优点是，它可以应用于残馀神经已(几乎)完全破坏的患者，就像肩关节脱位后的情况。图3周围神经电接口。这些面板展示了三个长期植入接口的例子。a，平面接口神经电极。b，横向筋膜内多通道电极。c，犹他州倾斜电极阵列。图中显示了三个电极阵列是如何与神经相互作用的。.体感神经电刺激的感觉后果触觉传达了关于我们抓住和操纵的物体的丰富信息。物体的相互作用激活了成百上千的触觉神经纤维。完全恢复触觉需要用独特的脉冲序列独立激活每一个纤维，这在可预见的未来是无法实现的。因此，感觉恢复受到相对于神经纤维数量的少量刺激通道的限制。我们的目标不是试图在整个神经纤维种群中复制激活的自然模式，而是产生对物体操作有用的神经元激活模式，并促进仿生手的体现。描述由周围神经电刺激引起的人工感觉的常见方法是评估它们的位置(感觉在哪里?)，它们的强度(感觉有多强?)和它们的质量(感觉像什么?)。用恒定的脉冲序列对神经进行电刺激，会产生一种典型的“刺痛”或“电”的感觉。系统操作人工触觉的一个主要限制是，电刺激会导致电极尖端附近的许多神经纤维同步激活，不管纤维类型如何。当然，这种激活模式是非自然的(因为不同的神经纤维对自然皮肤变形的反应不同)。电接口可以产生自然的神经激活的聚集模式:换句话说，虽然单个神经纤维可能不会以自然的方式被激活，但神经纤维群可以以保留自然聚集活动的一些基本特征的方式被激活。例如，恒定的脉冲序列(恒定的振幅和频率)唤起副感觉，而不同振幅或频率(或两者都有)的脉冲序列唤起的感觉不那么不自然，也许是因为神经活动的聚合模式在这些刺激条件下更自然。当刺激是仿生学的——也就是说，被明确设计成产生更自然的神经激活模式——所产生的感觉感知就会被认为更自然，但这种效果是有限的。仿生刺激的主要作用是提高仿生手的灵巧性。长时间暴露在强烈的刺激下会降低对它的敏感性。这种适应——调整触觉以适应环境的刺激水平，并增加其对刺激变化的敏感性——也可以在人工触摸中观察到。事实上，延长对神经的电刺激会导致灵敏度下降，而且这种脱敏的程度和时间过程与自然接触相吻合。对于只激活少数纤维的低振幅刺激系统，适应会有问题，因为它们的反应会被“适应掉”，导致在几秒钟内完全丧失感觉。.3反馈对触觉和物体操作的影响电刺激的感觉结果的表征提供了有助于指导感觉反馈算法设计的见解。人工体感的主要目标是改善仿生手的功能。衡量感官反馈的功能好处的一种方法是评估使用者如何区分使用假体探索的对象。仿生手的敏化可以让用户感知物体的大小和顺应。当用户控制假手时，这项任务尤其具有挑战性，因为由于手的探索运动的变化，每个物体所引发的感觉信号在不同的试验中都是不同的。因此，感觉信号必须在假肢运动的背景下解释。纹理也可以通过假肢体来感知，如空间变化光栅的辨别。另一种测试感官反馈功能好处的方法是评估它是否能改善对物体的操作。其中一种方法是，让蒙着眼睛的用户执行所谓的“方块”任务:把一个方块放在一个盒子里，然后放到另一个盒子里。性能是根据用户在固定时间内可以移动的块数来判断的。如果没有视觉或触觉反馈，用户在这项任务上的表现会很差。如果提供了触觉反馈，性能就会大大提高。然而，盒子和积木的任务并不构成对感官反馈的严格测试，因为当视觉存在时，人工触摸只能适度地提高表现。更灵敏的感官反馈测试是通过虚拟鸡蛋测试来操作易碎物品。通过感官反馈，这项任务的性能得到了显著提高，即使用户可以看到仿生手，但接触力无法通过视觉测量。有了仿生感觉反馈，这项任务的表现将进一步提高。感官反馈还使仿生手能够采摘樱桃的茎，这项任务几乎不可能在没有触摸的情况下完成(因为樱桃很脆)。.4具体化人工感觉反馈也增强了假手的具体化:仿生手触摸物体的视觉体验和物体的触觉体验同时产生假手是身体一部分的感觉，这是一种与“橡胶手错觉”密切相关的现象。仿生手的具体化提高了用户对假肢的接受度，因为它赋予了因截肢而失去的完整感。当感觉通过仿生刺激变得更自然时，或当视觉反馈明确地发出接触信号时，具体化就得到加强。.5幻痛截肢经常会引起幻痛，也就是一种源于截肢部位的慢性疼痛。在某些情况下，幻肢痛是如此严重以至于使人衰弱。通过与周围神经系统的接口提供感觉反馈似乎可以减轻幻肢痛的症状，但这仍有待于系统和长期安慰剂对照研究的重复。长期使用感觉仿生手可能会进一步减轻幻肢痛的症状，因为触觉信号的恢复可能逆转因截肢引起的中枢神经系统的变化。.6本体知觉的恢复我们身体在空间中运动和位置的感觉被称为本体感觉，它是由支配肌肉纺锤体的神经纤维介导的，也可能是支配关节周围皮肤的神经纤维介导的。除了刺激少量的纤维，电刺激神经很少能在不刺激肌肉的情况下引起本体感觉。感官替代可以通过刺激引起皮肤感觉的通道来传递关于肢体构造(通常是手孔)的本体感受信息。使用者就可以学会使用这个感觉通道来推断肢体的状态，并将这些信息与触觉反馈结合起来执行简单的任务。这种方法是否能支持日常生活活动还有待证明。3中枢神经系统接口周围神经的电接口不能应用于脊髓上部损伤的患者，因为他们的神经和中枢神经系统之间的连接已经被切断。尽管已经有人尝试在楔形核和丘脑腹侧后外侧植入电极阵列，但与中枢神经系统最接近的电接口涉及位于大脑表面或其附近的体感皮层（如图4.a所示）。3.早期研究众所周知，对体感皮层的电刺激会引起触觉和本体感觉。当在癫痫患者中寻找癫痫发作的病灶点时，发现传递到体感皮层表面的电刺激引起触觉感知，其在身体上的位置随施加电刺激的皮层位置而系统地变化:中线附近的刺激倾向于引起下体的感觉，外侧沟附近的刺激引起手臂和面部的感觉。这导致了体感小人的发现。后来，在猴子身上的实验表明，改变皮质内微刺激(ICMS)的频率会导致系统可辨别的感觉。这些早期的研究表明，ICMS诱发的感觉的位置和质量可以被系统地操纵，并为通过体感皮层的ICMS恢复触觉奠定了基础。3.体感皮层电接口体感皮层可以通过长期植入的电极阵列进行电连接，该电极阵列穿透包围大脑的膜(硬脑膜、蛛网膜和软脑膜)，使得电极尖端撞击灰质，皮质神经元的细胞体位于灰质上。两种类型的植入物最常用于人类和非人灵长类动物的实验:犹他电极阵列由0×0电极阵列组成，每个-.5毫米长，覆盖4×4毫米的皮层，它由排列在4×.8毫米皮层区域上的3个电极组成（如图4b所示）。在这两种类型的阵列中，电极在顶端(但不包括顶端)涂有绝缘材料，因此可以在顶端注入小电流。在犹他州电极阵列中，电极比功能磁共振成像中的电极间隔更小，但它们的最大长度为.5毫米，限制了可触及的大脑结构。如果单个电极包括多个触点，刺激部位的密度可以增加，这可以增加基于ICMS的感觉反馈的带宽(这有待测试)。图4中枢神经系统电接口。a，在中枢神经系统中恢复触觉的神经接口的可能位点。自下而上:楔形核、丘脑和体感皮层。插图显示了人类躯体感觉皮层中的躯体感觉的手臂和面部区域(左上)，以及躯体感觉皮层的布罗曼区域3a、3b、和中的皮层区域(右上)。b，手术图像显示在人体运动皮层(中央沟前；左)和体感皮层中的两个阵列(中央沟的后部；右)。彩色区域表示手掌、拇指、食指和小指在体感皮层中的映射。符号‘Ω’表示手在运动皮层中的假定位置(所谓的“手柄”)。3.3体感皮层电刺激的感觉后果在猴子和人类身上，通过单个电极传递的ICMS引起的感觉局限于一小块皮肤，如手指垫或手掌轮。所指感觉的位置与受刺激神经元的感受野一致。例如，对对食指指尖有反应的神经元的电刺激引发了一种称为食指指尖的感觉。这一现象表明存在感知位置的“地点代码”；也就是说，体感皮层通过激活身体地图的不同部分来追踪身体接触物体的位置。因此，体视映射也可以用来直观地传达物体和仿生手之间接触点的信息。体感皮层对ICMS的敏感度通常是通过两种可选的强制选择程序来测量的:用户选择两个连续刺激间隔中的包含微弱的脉冲序列的那个刺激间隔，脉冲序列的幅度在一定范围内随试验而变化。由此产生的行为性能被描述为脉冲幅度的σ函数，阈值(对应于75%的检测性能)由该函数插值得到。人们经常把ICMS唤起的感觉描述为自然的或接近自然的。尽管质量的主观评价往往不可靠，样本量通常也很小，但ICMS似乎唤起了比神经刺激更自然的感觉。感知的质量因电极而异，从刺痛和振动到缓慢敲击和压力不等。由给定的电极刺激所引起的质量是预先无法预测的，并且随振幅和频率而变化。一些使用者报告了肢体运动，特别是在高ICMS振幅时，但是不清楚这些是否反映本体感觉本身或者它们是否揭示了皮肤运动的感觉。3.4人工触摸引导行为体感反馈的一个主要功能是指导与物体的手动交互。几个模型已经被用来评估ICMS唤起可用于指导行为的可解释感觉的程度。在一项研究中，猴子使用大脑控制的虚拟手臂来探索它们的环境，以便定位不同的纹理(每个纹理对应于不同的ICMS时间模式)，并选择对应于特定ICMS模式的“目标”纹理。举个类似的例子，一个四肢瘫痪的人选择了一个隐藏在虚拟“抓取袋”里的虚拟物体作为目标，其他虚拟物体各对应一个不同的ICMS序列。老鼠、猴子和人类也可以利用ICMS在二维空间导航。在一项任务中，红外光源的定位是通过将体感皮层的ICMS与固定在大鼠头部的红外传感器的输出或四肢瘫痪者大脑控制的仿生手相关联。在另一项任务中，猴子的目标位置是通过不同通道的刺激来提示的，动物学会了随着时间的推移来解释这些信息。在一个基于皮层脑电图反馈的例子中，一个人调整他们的手的孔径，以跟随施加到他们的体感皮层的电刺激强度的调制。在一个更自然的条件下的感觉反馈演示中，一个四肢瘫痪的人通过来自运动皮层的信号控制一个拟人化的仿生手臂，而ICMS传递到他们的体感皮层的信号根据体视映射跟踪假手指上扭矩传感器的输出。通过这种双向脑机接口，甚至在有视觉的情况下，当使用基于ICMS的人工触觉反馈时，用户在手功能的标准测试(“动作研究手臂”测试)上取得了显著的改进。3.5通过ICMS恢复本体感觉如同周围神经刺激的情况一样，通过ICMS系统地诱发本体感觉具有挑战性。在一项研究中，猴子将不同模式的ICMS传递到专门用于本体感觉的皮层区域，但诱发感觉的性质仍然未知。在一个更令人信服的人工本体感觉演示中，一个人类用户将ICMS知觉描述为本体感觉；然而这些也可以被描述为触觉运动。因此，ICMS是否能自然地传达关于肢体状态的信息还有待确定。有一种基于学习的人工本体感觉方法，不同的刺激通道将运动导向平面工作空间内的不同方向，以此支持二维导航。用户可以使用ICMS来引导向看不见的目标移动。然而，还不清楚这种策略是否适用于更复杂的运动空间。4仿生触摸的未来感觉反馈的发展将促进仿生手的感官化。目前的仿生手包括少量传感器(每个手指一个或几个)。这种贫乏的感觉严重限制了反馈的信息量。尽管传感器目前不是瓶颈，但未来的反馈接口可能会更加复杂和有选择性，并且需要具有更高时空分辨率的传感器。此外，模仿天然机械感受器传递的信号的传感人造皮肤可能为最先进的仿生传感器提供有希望的替代物。最终，丰富的感官反馈可能允许截肢者和四肢瘫痪者接近健全人的灵巧。0年第六届认知系统和信息处理国际会议（ICCSIP）8月，苏州，中国论文征集欢迎投稿！
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