Science：通过机器恢复上肢截肢者的自然热感觉

原文题目：Restoration of natural thermal sensation in upper-limb amputees

通讯作者：SOLAIMAN SHOKUR

隶属单位：健康跨学科中心和机器人与人工智能卓越系

DOI：10.1126/science.adf6121

人手提供丰富的感官信息，对有效和安全的操作至关重要。对于假肢使用者来说，最终目标是通过与人工传感器建立联系来恢复感觉。用户的幻手上的触觉可以通过直接神经刺激来实现。通过利用触觉幻影手图（能够引起触觉投射感觉的残肢区域）也可以非侵入性地获得类似的效果。

尽管这些方法已成功用于恢复触觉信息，例如纹理，形状和刚度，但据研究人员所知，热反馈尚未恢复。热纤维的尺寸非常小，无法使用最先进的植入式神经接口进行可靠的有针对性的直接电刺激。在这里，研究人员展示了非侵入性可穿戴设备可用于在上肢截肢者中产生热感觉，类似于在完整手臂中经历的感觉。为了实现这一目标，研究人员刺激了截肢者残留物上的特定斑点，并研究了刺激是否可以引发热幻影手图。

该研究纳入了24名成年上肢截肢受试者。受试者进行了经桡骨截肢，手腕脱节，部分手部截肢等手术。除五名受试者外，所有受试者都使用机器人假手（两名受试者使用身体动力假肢，三名受试者使用美容手），并且在视觉模拟量表上，他们都报告了轻度或没有幻肢疼痛。

首先，研究人员调查了所有参与者中触觉幻影手图的存在。使用笔的圆边刺激残余手臂的不同部位（图1A），研究人员在26名受试者中的27名中发现了投射感觉的证据。

紧接着，研究人员使用名为MetaTouch（Metaphysiks，洛桑）的定制热器件对残留物进行了热研究（图1B和补充材料）。在17名受试者中的27名中发现了热幻影手图的证据。感觉表现在几个点（在某些参与者中多达四个），幻手上具有明显的躯体主题投影和热描述;例如，一位参与者报告说：“我觉得你正在冷却我的左手食指。对于残余臂上的每个点，研究人员测试了三种热刺激，分别为25°、32°和37°C，并要求参与者在从非常冷到非常热的视觉模拟量表上评估他们的热感知（图1C）。

为了进一步研究热投射感觉的现象学体验，研究人员将MetaTouch在热幻影点上引发的感觉与四名截肢参与者在镜像完整身体部位的物理刺激进行了比较。在与截肢参与者进行测试之前，为了验证MetaTouch可以提供类似于与真实物体接触产生的感觉，研究人员对八名非截肢者进行了对照实验，其中MetaTouch和物理物体被放置在镜像的身体部位。研究人员选择下腹部作为刺激区域;在之前的一项研究（12）中，研究人员报告说这是一个对材料检测具有特别好灵敏度（优于手）的区域。MetaTouch 在与以下三种材料之一接触时产生了标志性的皮肤热压降：铜、玻璃和塑料（图 2A）。在对侧，研究人员使用与MetaTouch热塑仪（3厘米乘4厘米）相同的三种材料制成的板坯，尺寸相同。参与者必须报告两种刺激在位置和热感觉方面是否匹配。平均而言，非截肢参与者报告说，物理和MetaTouch介导的刺激匹配率为76.4%，塑料匹配率最高（86.8%），其次是玻璃（72.9%）和铜（68.75%）（图2B）。在所有情况下，当研究人员使用不匹配的参数（例如，一侧的物理铜和另一侧的MetaTouch介导的塑料刺激）时，参与者报告两种刺激匹配的概率显着降低。

结果表明，热幻手图可以以部分稳定和可靠的方式应用于恢复上肢截肢者的热感觉。研究人员通过非侵入性方法开发了一种相对易于实施的热修复解决方案，该方法提供了直观且现象学上接近自然的感觉。研究人员的方法最终可能会改善假肢使用者的体验，为情感触觉，湿感感知（16）和增加的实施奠定基础。当与通过神经刺激进行触觉恢复的现有解决方案相结合时，研究人员的方法还可以提高感觉自然性，并为用户提供多模式和更有效的感官体验。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf6121#sec-5

转自：“生物医学科研之家”微信公众号

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