Giao diện thần kinh và phản hồi cảm giác

Giao diện thần kinh và phản hồi cảm giác liên quan đến liên kết hai chiều giữa một bộ phận giả có nguồn điện và hệ thống thần kinh của người dùng. Đường dẫn đi ra đọc ý định—từ hoạt động cơ còn lại, các dây thần kinh được phẫu thuật định tuyến lại, hoặc trực tiếp từ các dây thần kinh ngoại biên—và biến nó thành các lệnh điều khiển thiết bị. Đường dẫn đi vào đóng vòng lặp bằng cách cung cấp thông tin về xúc giác, lực hoặc vị trí trở lại cho người dùng, để chi không chỉ được điều khiển mà còn được cảm nhận. Cùng nhau, những điều này xác định mục tiêu của một bộ phận giả hai chiều, trực quan.

Definition

Giao diện thần kinh cho bộ phận giả là hệ thống truyền các lệnh vận động từ hệ thống thần kinh hoặc cơ bắp của người dùng đến một thiết bị và, trong các thiết kế hai chiều, trả lại các tín hiệu cảm giác cho người dùng, cho phép điều khiển và cảm nhận một chi nhân tạo.

Scope

Chủ đề này bao gồm các giao diện điều khiển (hướng tâm) và phản hồi (ly tâm) được sử dụng với các bộ phận giả có nguồn điện: điều khiển cơ điện, tái phân bố thần kinh cơ đích, giao diện thần kinh ngoại biên và các phương tiện phục hồi cảm giác xúc giác và cảm thụ bản thể. Nó tập trung vào các nguyên tắc và kết quả nghiên cứu, không phải kỹ thuật phẫu thuật hoặc lắp đặt thiết bị. Đây là tài liệu tham khảo-giáo dục và không cung cấp hướng dẫn lâm sàng.

Core questions

• Ý định chuyển động được trích xuất như thế nào—từ cơ bắp, dây thần kinh được chuyển, hay dây thần kinh ngoại biên?
• Tái phân bố thần kinh cơ đích là gì, và tại sao nó cải thiện khả năng kiểm soát?
• Làm thế nào để cảm giác xúc giác và cảm thụ bản thể có thể được truyền trở lại cho người dùng bộ phận giả?
• Một bộ phận giả 'hai chiều' có nghĩa là gì?

Key concepts

• Đường dẫn ly tâm (lệnh) so với đường dẫn hướng tâm (phản hồi)
• Kiểm soát cơ điện bề mặt và trong cơ
• Tái phân bố thần kinh cơ đích
• Giao diện thần kinh ngoại biên (điện cực vòng và nội thần kinh)
• Kích thích thần kinh cho cảm giác xúc giác
• Bộ phận giả hai chiều (vòng kín)
• Sự hiện thân và kiểm soát trực quan

Mechanisms

Về phía điều khiển, các điện cực bề mặt hoặc trong cơ ghi lại hoạt động điện cơ từ các cơ còn lại, mà một bộ giải mã ánh xạ thành các chuyển động của bộ phận giả. Tái phân bố thần kinh cơ đích phẫu thuật chuyển các dây thần kinh từng phục vụ chi bị mất sang các cơ dự phòng, tạo ra các vị trí điều khiển mới, có ý nghĩa sinh lý, mang lại tín hiệu điện cơ phong phú hơn cho các cánh tay đa chức năng [kuiken-2009]; các tín hiệu được giải mã tương tự đã điều khiển một chân giả có nguồn điện ở một người cụt chi với chuyển đổi thần kinh [hargrove-2013]. Về phía phản hồi, kích thích điện thông qua các điện cực thần kinh ngoại biên có thể gợi ra các cảm giác xúc giác cục bộ được quy chiếu đến bàn tay bị mất, cung cấp các cảm nhận được phân cấp, ổn định theo thời gian [tan-2014] và, khi được kết nối với các cảm biến trên bàn tay giả trong thời gian thực, đóng vòng lặp để điều khiển hai chiều [raspopovic-2014]. Các đánh giá phân loại các phương thức phản hồi—điện xúc giác, rung xúc giác, cơ xúc giác và thần kinh trực tiếp—được sử dụng cho mục đích này [schofield-2014].

Clinical relevance

Việc phục hồi khả năng điều khiển và cảm giác trực quan được nghiên cứu như một cách để làm cho bộ phận giả dễ sử dụng hơn, ít đòi hỏi nhận thức hơn và dễ dàng được tích hợp vào hình ảnh cơ thể của người dùng hơn. Các báo cáo nghiên cứu mô tả khả năng điều khiển đa chức năng tự nhiên hơn sau khi tái phân bố thần kinh [kuiken-2009] và phục hồi cảm giác xúc giác thông qua kích thích thần kinh [tan-2014][raspopovic-2014]. Mục này giải thích các khái niệm và tóm tắt các phát hiện; nó không phải là hướng dẫn phẫu thuật hoặc lâm sàng, và các kỹ thuật được mô tả là chuyên biệt và phần lớn đang trong giai đoạn nghiên cứu.

Evidence & guidelines

Bằng chứng chủ yếu bao gồm các nghiên cứu nhỏ, chuyên biệt cao và các chuỗi ca bệnh chứng minh tính khả thi và bằng chứng về khái niệm [kuiken-2009][tan-2014][raspopovic-2014][hargrove-2013], được tổng hợp bởi các đánh giá tường thuật về các phương pháp phản hồi [schofield-2014]. Nhiều phương pháp tiếp cận—đặc biệt là giao diện thần kinh ngoại biên trực tiếp và các hệ thống hai chiều hoàn toàn—vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu hơn là chăm sóc thường quy, và không có hướng dẫn tiêu chuẩn chăm sóc rộng rãi nào cho chúng.

History

Kiểm soát cơ điện đã được sử dụng trong bộ phận giả từ giữa thế kỷ XX, nhưng nó đã cung cấp các lệnh hạn chế, không trực quan và không có phản hồi cảm giác trong một thời gian dài. Tái phân bố thần kinh cơ đích vào những năm 2000 đã mở rộng khả năng kiểm soát trực quan các cánh tay đa chức năng [kuiken-2009]. Vào những năm 2010, kích thích thần kinh ngoại biên bắt đầu phục hồi cảm giác xúc giác được phân cấp, ổn định [tan-2014] và được tích hợp với các cảm biến bộ phận giả để tạo ra các bàn tay hai chiều thời gian thực [raspopovic-2014], đưa lĩnh vực này từ kiểm soát một chiều sang giao diện vòng kín.

Debates

Giao diện không xâm lấn so với xâm lấn

Kiểm soát cơ điện bề mặt và phản hồi dựa trên da là không xâm lấn và rủi ro thấp hơn nhưng cung cấp tín hiệu thô hơn, trong khi giao diện thần kinh và cơ được cấy ghép hứa hẹn khả năng kiểm soát và cảm giác chọn lọc, tự nhiên hơn với chi phí phẫu thuật và những lo ngại về sự ổn định lâu dài.

Phản hồi cảm giác bổ sung có cải thiện chức năng trong thế giới thực không?

Cảm giác được phục hồi có thể tăng cường sự hiện thân và hiệu suất thực hiện một số nhiệm vụ trong các nghiên cứu, nhưng liệu nó có tạo ra những lợi ích chức năng lâu dài, tổng quát trong sử dụng hàng ngày hay không vẫn đang được xác định.

Seminal works

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

Frequently asked questions

Tái phân bố thần kinh cơ đích là gì?

Đây là một thủ thuật phẫu thuật chuyển các dây thần kinh từng điều khiển chi bị cắt cụt sang các cơ còn lại. Khi người dùng nghĩ đến việc di chuyển chi bị mất, các cơ đó co lại, tạo ra các tín hiệu điện mà một bộ phận giả cơ điện có thể đọc để điều khiển trực quan hơn.

Một bàn tay giả có thể cho phép người dùng cảm nhận xúc giác không?

Các bộ phận giả nghiên cứu đã phục hồi cảm giác xúc giác bằng cách kích thích điện các dây thần kinh ngoại biên của người dùng theo các mẫu liên kết với các cảm biến trên bàn tay. Các hệ thống hai chiều này vẫn chủ yếu là thử nghiệm hơn là các thiết bị lâm sàng tiêu chuẩn.