Нейронные интерфейсы и сенсорная обратная связь

Нейронные интерфейсы и сенсорная обратная связь касаются двусторонней связи между протезом с внешним источником энергии и нервной системой пользователя. Исходящий путь считывает намерение — по остаточной мышечной активности, хирургически перенаправленным нервам или непосредственно от периферических нервов — и преобразует его в команды для устройства. Входящий путь замыкает цикл, доставляя информацию о прикосновении, силе или положении обратно пользователю, так что конечность не только контролируется, но и ощущается. Вместе они определяют цель создания двунаправленного, интуитивно понятного протеза.

Definition

Нейронный интерфейс для протезирования — это система, которая передает моторные команды от нервной или мышечной системы пользователя к устройству и, в двунаправленных конструкциях, возвращает сенсорные сигналы пользователю, обеспечивая контроль и ощущение искусственной конечности.

Scope

Тема охватывает командные (эфферентные) и обратные (афферентные) интерфейсы, используемые с протезами с внешним источником энергии: миоэлектрическое управление, целенаправленную реиннервацию мышц, интерфейсы периферических нервов и средства восстановления тактильных и проприоцептивных ощущений. Она сосредоточена на принципах и результатах исследований, а не на хирургической технике или подборе устройств. Это справочно-образовательный материал, не содержащий клинических инструкций.

Core questions

• Как извлекается намерение движения — из мышц, пересаженных нервов или периферических нервов?
• Что такое целенаправленная реиннервация мышц и почему она улучшает контроль?
• Как можно вернуть тактильные ощущения и проприоцепцию пользователю протеза?
• Что значит для протеза быть «двунаправленным»?

Key concepts

• Эфферентные (командные) против афферентных (обратная связь) путей
• Поверхностное и внутримышечное миоэлектрическое управление
• Целенаправленная реиннервация мышц
• Интерфейсы периферических нервов (манжетные и интраневральные электроды)
• Нейронная стимуляция для тактильных ощущений
• Двунаправленные (замкнутые) протезы
• Воплощение и интуитивное управление

Mechanisms

Со стороны управления поверхностные или внутримышечные электроды регистрируют электромиографическую активность остаточных мышц, которую декодер преобразует в движения протеза. Целенаправленная реиннервация мышц хирургически переносит нервы, которые когда-то обслуживали утраченную конечность, на запасные мышцы, создавая новые, физиологически значимые места управления, которые дают более богатые миоэлектрические сигналы для многофункциональных рук [kuiken-2009]; те же декодированные сигналы приводили в движение протез ноги у ампутанта с нервными трансплантатами [hargrove-2013]. Со стороны обратной связи электрическая стимуляция через электроды периферических нервов может вызывать локализованные тактильные ощущения, относящиеся к отсутствующей руке, обеспечивая градуированные, стабильные восприятия с течением времени [tan-2014] и, при сопряжении с датчиками на протезной руке в реальном времени, замыкая контур для двунаправленного управления [raspopovic-2014]. Обзоры каталогизируют модальности обратной связи — электротактильную, вибротактильную, механотактильную и прямую нейронную — используемые для этой цели [schofield-2014].

Clinical relevance

Восстановление интуитивного контроля и ощущений изучается как способ сделать протезы более простыми в использовании, менее когнитивно требовательными и более легко интегрируемыми в образ тела пользователя. Отчеты об исследованиях описывают более естественный многофункциональный контроль после реиннервации [kuiken-2009] и восстановленное тактильное восприятие посредством стимуляции нервов [tan-2014][raspopovic-2014]. Эта статья объясняет концепции и обобщает результаты; она не является хирургическим или клиническим руководством, а описанные методы являются специализированными и в значительной степени исследовательскими.

Evidence & guidelines

Доказательства состоят в основном из небольших, узкоспециализированных исследований и серий случаев, демонстрирующих осуществимость и подтверждение концепции [kuiken-2009][tan-2014][raspopovic-2014][hargrove-2013], обобщенных в нарративных обзорах методов обратной связи [schofield-2014]. Многие подходы — особенно прямые интерфейсы периферических нервов и полностью двунаправленные системы — остаются на стадии исследования, а не рутинного ухода, и для них не существует широких рекомендаций по стандарту лечения.

History

Миоэлектрическое управление используется в протезировании с середины двадцатого века, но долгое время оно предлагало ограниченные, неинтуитивные команды и не обеспечивало сенсорной обратной связи. Целенаправленная реиннервация мышц в 2000-х годах расширила интуитивное управление многофункциональными руками [kuiken-2009]. В 2010-х годах стимуляция периферических нервов начала восстанавливать градуированные, стабильные тактильные ощущения [tan-2014] и была интегрирована с протезными датчиками для создания двунаправленных рук в реальном времени [raspopovic-2014], перемещая область от одностороннего управления к замкнутым интерфейсам.

Debates

Неинвазивные против инвазивных интерфейсов

Поверхностные миоэлектрические и кожные интерфейсы обратной связи являются неинвазивными и менее рискованными, но дают более грубые сигналы, тогда как имплантированные нервные и мышечные интерфейсы обещают более избирательный, естественный контроль и ощущения ценой хирургического вмешательства и проблем с долгосрочной стабильностью.

Улучшает ли дополнительная сенсорная обратная связь реальную функцию?

Восстановленные ощущения могут улучшить воплощение и выполнение определенных задач в исследованиях, но вопрос о том, приводит ли это к устойчивым, обобщаемым функциональным улучшениям в повседневном использовании, все еще находится в стадии изучения.

Seminal works

• kuiken-2009
• tan-2014
• raspopovic-2014

Frequently asked questions

Что такое целенаправленная реиннервация мышц?

Это хирургическая процедура, при которой нервы, когда-то контролировавшие ампутированную конечность, пересаживаются на оставшиеся мышцы. Когда пользователь думает о движении отсутствующей конечности, эти мышцы сокращаются, производя электрические сигналы, которые миоэлектрический протез может считывать для более интуитивного управления.

Может ли протезная рука позволить пользователю чувствовать прикосновение?

Исследовательские протезы восстановили чувство прикосновения путем электрической стимуляции периферических нервов пользователя по схемам, связанным с датчиками на руке. Эти двунаправленные системы все еще в значительной степени экспериментальны, а не являются стандартными клиническими устройствами.