Тактильное совместное управление повышает эффективность нейронов во время использования миоэлектрического протеза

Nov 02, 2023

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 484 (2023) Цитировать эту статью

1163 Доступа

4 Альтметрика

Подробности о метриках

Клиническим миоэлектрическим протезам не хватает сенсорной обратной связи и достаточной ловкости, необходимой для эффективного и точного выполнения повседневной деятельности. Отдельно было показано, что обеспечение тактильной обратной связи с соответствующими сигналами окружающей среды для пользователя или наделение протеза автономным органом управления повышает полезность протеза. Однако лишь немногие исследования изучали эффект объединения этих двух подходов в единую парадигму управления, и ни в одном из них не оценивался такой подход с точки зрения нейронной эффективности (взаимосвязь между выполнением задачи и умственным усилием, измеряемая непосредственно мозгом). В этой работе мы проанализировали эффективность нейронов 30 участников, не имеющих ампутированных ног, при выполнении задачи по захвату и подъему хрупкого объекта. В данной работе миоэлектрический протез с вибротактильной обратной связью по силе захвата и автономным контролем захвата сравнивался со стандартным миоэлектрическим протезом с вибротактильной обратной связью и без нее. В качестве меры умственного усилия мы фиксировали изменения активности префронтальной коры с помощью функциональной ближней инфракрасной спектроскопии во время эксперимента. Ожидалось, что протез с тактильным общим управлением улучшит как производительность задач, так и умственные усилия по сравнению со стандартным протезом. Результаты показали, что только общая тактильная система управления позволяет пользователям достичь высокой нейронной эффективности и что вибротактильная обратная связь важна для захвата с соответствующей силой захвата. Эти результаты показывают, что общая тактильная система управления синергетически сочетает в себе преимущества тактильной обратной связи и автономных контроллеров и хорошо подготовлена ​​для информирования о таких гибридных достижениях в технологии миоэлектрических протезов.

Во время волевого манипулирования объектом тактильные ощущения (проприоцептивные, кинестетические и тактильные) биологической конечности используются для коррекции хвата и обновления внутренних моделей прямой связи объекта и окружающей среды1. Такое уточнение модели помогает повысить скорость и ловкость последующих манипуляций, так что изначально нерешительное взаимодействие с неизвестным или хрупким объектом становится более плавным и эффективным с увеличением опыта2,3. Сенсорная информация особенно важна для настройки силы захвата для работы с хрупкими или хрупкими объектами; сила захвата должна быть достаточно велика, чтобы противодействовать инерции и гравитации, но не настолько велика, чтобы раздавить объект4. Эти тактильные знания теряются в типичных протезах верхних конечностей, поскольку они не обеспечивают сенсорную обратную связь.

В течение последних нескольких десятилетий исследователи пытались восстановить тактильную обратную связь в протезах верхних конечностей (см. обзор Stephens-Fripp et al.5, 2018 г.). В частности, значительные усилия были направлены на использование механотактильной стимуляции кожи, чтобы предоставить владельцам протезов такие сигналы, как сила захвата, отверстие захвата и скольжение объекта6,7,8. Предыдущие исследования продемонстрировали преимущества тактильной обратной связи в улучшении разборчивости и ловкости выполнения задач с помощью миоэлектрического протеза9,10,11,12. Примечательно, что вибротактильная обратная связь остается простым, но эффективным методом тактильной обратной связи в протезах благодаря своим компактным размерам и низкому энергопотреблению13,14,15,16,17,18.

Несмотря на продемонстрированные преимущества тактильной обратной связи для протезов верхних конечностей, в частности для модуляции силы захвата10,11,19, последовательное управление даже стандартными миоэлектрическими руками остается проблемой. В простейшей миоэлектрической схеме прямого управления величина электрической активности пары мышц агонист-антагонист используется для управления оконечным устройством протеза с одной степенью свободы. Неизбежная задержка между интерпретацией пользователем тактильной обратной связи и последующей миоэлектрической командой может сделать волевые движения слишком медленными20, а также требовательными к когнитивным функциям21,22.