IF＝15.8 | 新型神经假体赋能下肢假肢：感觉反馈助力截肢者行动与认知提升
摘要
下肢截肢（LLA）会破坏站立和行走过程中大脑与外界的感觉通讯。目前的假肢无法恢复截肢者的感觉反馈，截肢者只能依靠残肢与假肢接受腔之间非常有限的触觉信息，这使他们不得不应对一系列严重问题：跌倒风险、行动能力下降、假肢被视为外部物体（低融入感）以及认知负担增加。行动能力差是最终放弃使用假肢的原因之一。恢复膝上（经股骨）截肢者缺失腿部的感觉反馈，并将其整合到感觉运动回路中，能够显著改善患者的生活。本研究中开发了一种腿部神经假体，通过神经刺激为三名经股骨截肢者提供实时触觉和模拟本体感觉反馈。这些反馈在主动任务中得到了应用，证明了研究的方法有助于提高行动能力、预防跌倒和增强敏捷性。通过幻肢位移感知和问卷调查，还发现下肢假肢（LLP）的融入感有所增强；通过脑电图记录，发现双任务模式下的认知负荷有所减轻。研究结果表明，诱导的感觉反馈可以在脊髓上水平进行整合，恢复缺失腿部的功能。这项工作为进一步研究大脑如何解读不同的人工反馈策略，以及开发完全可植入的感觉增强型腿部神经假体奠定了基础，这有望大幅改善残疾人士的生活质量。
研究方法
Part.1
研究设计与受试者
本研究旨在证实为经股骨截肢者恢复感觉反馈及连接假肢的可行性，测试其对行走功能影响、间接测量认知负荷和检验假肢融入程度。采用自身对照，实验条件随机呈现。样本量未预先确定，实验随机开展，研究人员不设盲。实验分阶段进行，感觉特征描述在首月，被动和主动任务随后，且任务顺序随机。
从 K4 级经股骨截肢人群招募 3 名受试者，均因创伤截肢且此前使用被动假肢。因实验时长与工作冲突，一名受试者未参与部分实验。
图 1. 神经假体腿。
Part.2
手术操作
为受试者坐骨神经胫神经分支植入4 个横向束内多通道电极（TIMEs），并在腓神经分支植入额外电极以防解剖变异。手术在全麻下进行，电极电缆经大腿外侧穿出体外连接神经刺激器。
Part.3
感觉特征描述
植入后首月，用特制刺激器向不同活跃位点发送可变参数电流脉冲串，受试者描述感觉，确定感觉阈值和电荷饱和值，获取感觉映射图用于系统校准。
Part.4
回复幻腿感觉反馈的假肢
定制假肢集成多种市售组件，配备膝关节编码器和压力感应鞋垫。外部控制器处理传感器数据，转化为刺激参数驱动刺激器。依据感觉特征结果耦合传感器和活跃位点，设定刺激幅度调制公式，固定刺激频率，适配鞋垫尺寸。
Part.5
被动识别任务
开展触觉识别、本体感觉识别和综合任务实验，受试者躺于床上蒙眼隔音进行，未接受系统训练。对照实验对比无刺激时的任务表现，所有实验条件随机呈现。
Part.6
功能任务
楼梯和障碍测试分 NF、T、P、PT 四种条件，直线测试在 NF 和 PT 条件下进行。通过楼梯测试评估行动能力，障碍测试统计跌倒次数，直线测试记录偏离直线步数，各条件随机呈现。
Part.7
认知负荷评估
进行三类 oddball 听觉任务，通过耳机播放不同频率声音，用手机和 Smarting EEG（mBrainTrain,南京尖创科技有限公司为该设备代理商） 放大器记录数据。受试者在不同状态下默数目标音，分析 P300 事件相关电位成分评估认知负荷。
Part.8
数据收集与统计分析
实验记录传感器读数、编码器数据、感觉报告、刺激参数等信息，通过摄像机录制视频提取运动学数据，记录问卷和 EEG 数据，监测刺激器和电极状态。
数据在 MATLAB 中处理，以平均值 ± 标准差表示，验证数据正态性后选择合适统计方法，多组数据进行事后校正，显著性水平通常设为 0.05，部分原始数据在补充材料中提供。
研究结果
1
感觉特征：刺激神经可在幻足和下肢 20 多个位置引发自然或类似自然的感觉，包括触觉、压力、振动和肌肉收缩等，且刺激电流幅度与诱发感觉强度呈正相关。
图 3. 诱发感觉的特征描述
2
被动任务：受试者在被动任务中表现良好，能精准识别假肢鞋垫上的触摸位置和膝关节角度变化。在控制实验中，若没有神经刺激，受试者的识别能力大幅下降。
图 4. 被动识别任务。(A) 触觉任务及其表现。(B) 本体感觉任务及其表现。(C) 综合任务及其表现
3
功能任务：在功能任务里，PT 反馈显著提升了受试者的行动能力。爬楼梯时，受试者在 PT 条件下的移动能力更强；过障碍时，PT、T 条件能有效减少跌倒次数；直线行走时，PT 条件下的行走准确性更高。此外，PT 和 T 反馈增强了假肢的融入感，减轻了认知负担，EEG 数据显示，受试者在 PT 条件下执行双重任务时，能更高效地分配认知资源。
图 5. 感觉反馈改善截肢者的行走表现。(A) 顶部：一名受试者在爬楼梯（第一张图）和下楼梯（最后一张图）时的情景。(B) 顶部：一名受试者跨过障碍物未跌倒（左边图）和跌倒（右边图）的情景。(C) 顶部：一名受试者在进行直线行走测试：受试者先踩到直线上，然后偏离，最后又回到直线上
图 6. 感觉反馈对假肢融入感和认知负担的改善作用
总结
研究表明，恢复的感觉反馈能在脊髓上水平整合，显著提升截肢者的行动能力，促进假肢的认知融合。不过，该研究存在样本量小、实验周期短等局限。未来应扩大样本范围，采用完全可植入式解决方案，进一步探究大脑对不同人工反馈策略的解读机制，推动完全可植入式感觉增强型腿部神经假体的发展，改善残疾人士的生活质量
文献来源：https://www.science.org/doi/10.1126/scitranslmed.aav8939
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