经皮电刺激增强上肢假体本体感觉反馈的探索性研究：一项针对手部位置感知与物体辨别的初步验证

《Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation》：Exploring transcutaneous electrostimulation for proprioceptive feedback in upper limb prostheses: a pilot study

本研究针对肌电上肢假体使用者普遍存在的本体感觉缺失问题，创新性地将经皮电刺激（TES）应用于指深屈肌，探索其诱导手部伸展错觉及增强假体手位置感知的可行性。通过十名健康受试者和一名先天性前臂缺失者的实验验证，TES在健康人群中引发超过1厘米的手部位置感知偏移，假体使用者在优化电极位点后物体辨别准确率超过85%。结果表明，TES作为一种非侵入性技术，有望为假体系统提供直观的本体感觉反馈，为改善假体控制的自然性开辟新途径。

　　

当一个人因意外或先天因素失去上肢，其日常生活将面临巨大挑战。现代肌电假肢虽能部分恢复运动功能，却难以弥补感官的缺失。使用者无法感知假手的状态，只能依赖视觉反馈笨拙地操控假肢，这不仅增加认知负荷，还导致近四分之一的用户最终放弃使用假体。在众多感官反馈类型中，本体感觉（proprioception）的缺失尤为关键——它让人无需注视肢体也能感知其位置与运动，是流畅完成抓取、操控等动作的基础。

为解决这一难题，意大利技术研究院与比萨大学的研究团队在《Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation》发表了一项创新研究，探索利用经皮电刺激（Transcutaneous Electrical Stimulation, TES）为假肢使用者“重建”手部本体感觉。此前，类似技术多用于肘关节，而本研究首次将其聚焦于更复杂的手部指深屈肌（Flexor Digitorum Profundus），旨在通过非侵入方式模拟肌肉纺锤体信号，诱导使用者产生手指伸展的错觉，进而提升其对假手开合状态的感知能力。

研究团队设计了两阶段实验。首先，他们通过在健康受试者前臂放置电极，优化刺激参数（电压5–25V，频率30–3000Hz），并让受试者在盲视状态下用对侧手模仿被刺激手的手位。运动捕捉系统通过计算手腕与中指各指节标记点的距离（D_tot）量化手位偏移。结果发现，TES可引发显著的手部伸展错觉，在45°手部屈曲角度下最大偏移达11.45±3.69毫米。尤为关键的是，一名先天性前臂缺失者也报告了类似感知，尽管幅度较小（最大4毫米），但证明该技术在感觉剥夺个体中仍具可行性。

第二阶段，团队将TES与SoftHand Pro肌电假肢结合，开展物体辨别任务。受试者需凭TES产生的“假手开度感觉”区分直径25毫米与50毫米的圆柱体。健康受试者辨别准确率最高达92%，而假体使用者在优化电极位置（如靶向指伸肌）后准确率跃升至100%。这一结果说明，TES反馈可被有效整合至假体控制环路，帮助使用者无需视觉辅助即可判断物体尺寸。

关键技术方法方面，研究采用双相方波电刺激器，通过表面电极靶向指深屈肌的肌腹（M）与肌腱交界区（T）；使用Vicon运动捕捉系统记录手部姿态参数D_tot；通过肌电信号控制假手抓取，并在肌肉放松阶段施加TES以避免信号干扰；实验对象包括10名健康受试者与1名先天性前臂缺失者，均经伦理委员会批准参与。

TES影响手部本体感觉

通过对手部位置匹配任务的分析，研究发现TES能显著改变受试者对手位的感知。在刺激开启（Stim-On）阶段，健康受试者的D_tot值较基线明显增加（p<0.05），且效应在手指屈曲角度较小时更显著。这一现象符合韦伯定律（Weber's Law），即感知灵敏度随刺激强度变化。假体使用者虽反应较弱，但仍观察到方向一致的错觉，表明TES在感觉剥夺系统中仍能激发结构化感知。

TES传递假体状态信息

在物体辨别实验中，团队首先通过校准确定每名受试者对应的“最小/最大伸展感知”刺激参数。健康受试者对不同频率（30–3000Hz）和电压组合的反应差异显著，而假体使用者的最佳参数高度依赖电极位置。当电极按常规解剖位点贴放时，辨别准确率仅64%；但调整为受试者主观反馈指导的位点后，准确率升至100%。这表明个体化电极配置是提升TES效果的关键。

研究结论强调，TES能通过非侵入方式诱发健康人与假体使用者的手部位置错觉，且该感知可被用于改善假体控制中的物体辨别能力。尽管存在个体差异（如先天性缺失者的反应较弱）和触觉干扰等局限，但TES的小型化、低延迟与高可控性优势使其成为假体感官反馈的理想候选。未来工作需优化刺激参数、扩展人群样本，并探索与皮肤拉伸（skin stretch）等多模态反馈的融合策略。这项初步研究为假体感官替代提供了新思路，有望推动更自然、直观的神经假体系统发展。