傳統(tǒng)的假肢不能向膝上截肢者傳達(dá)有關(guān)運(yùn)動(dòng)或與地面交互的感覺(jué)信息，精神與身體的疲勞限制了使用者的行走速度和自信心，而缺乏從剩余的肢體到大腦的生理反饋導(dǎo)致了來(lái)自缺失肢體的幻肢疼痛。為了確定神經(jīng)感覺(jué)反饋修復(fù)是否能解決上述問(wèn)題，來(lái)自瑞士聯(lián)邦理工大學(xué)的Francesco Maria Petrini等人對(duì)兩名大腿截肢者進(jìn)行了一項(xiàng)研究，在剩下的脛神經(jīng)中植入4個(gè)神經(jīng)內(nèi)的刺激電極。參與者穿戴裝有腳與膝蓋傳感器的假肢，通過(guò)使用這一神經(jīng)假肢裝置接受評(píng)估。這些傳感器驅(qū)動(dòng)神經(jīng)刺激，可以引起膝蓋運(yùn)動(dòng)和腳底接觸地面的感覺(jué)。研究發(fā)現(xiàn)，與無(wú)刺激試驗(yàn)相比，在神經(jīng)感覺(jué)反饋過(guò)程中，兩位參與者的行走速度和自我報(bào)告的信心都有所提高，而精神與身體疲勞的程度有所減輕。此外，參與者通過(guò)神經(jīng)感覺(jué)反饋顯示幻肢疼痛減輕。這些結(jié)果為更多考察神經(jīng)假體的感覺(jué)反饋修復(fù)在臨床中的表現(xiàn)提供了理論基礎(chǔ)。文章發(fā)表在Nature Medicine。
盡管下肢假肢的發(fā)展取得了進(jìn)步，但將這種裝置的感覺(jué)反饋恢復(fù)應(yīng)用到大腿(膝蓋以上)或小腿(膝蓋以下)截肢者身上的潛在好處尚未得到研究。大多數(shù)外科技術(shù)非侵入式方法對(duì)感覺(jué)反饋恢復(fù)的測(cè)試僅局限于小腿截肢中，而小腿截肢的致殘率要低于大腿截肢。通過(guò)腹側(cè)腹內(nèi)多通道電極(TIMEs)的直接神經(jīng)刺激，可以使上肢截肢者感受到失去的手的觸覺(jué)，并利用它們進(jìn)行長(zhǎng)期的假肢控制。只有少數(shù)直接神經(jīng)刺激實(shí)驗(yàn)沒(méi)有觀察到對(duì)截肢者存在明顯的有益影響。通過(guò)神經(jīng)刺激恢復(fù)上肢截肢者幻肢手的感覺(jué)反饋已被證明可以減少幻肢疼痛(PLP)。然而，低頻神經(jīng)刺激治療下肢截肢患者PLP的療效尚沒(méi)有研究。在這項(xiàng)研究中，作者招募了兩個(gè)由于創(chuàng)傷性事件而進(jìn)行截肢的志愿者，他們被植入4個(gè)TIMEs，植入位置在距離截肢處最近的脛骨神經(jīng)殘端，需要超過(guò)90d。
方法：
1.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
所有的參與者都被分配到相同的，被控制的干預(yù)組（干預(yù)條件為通過(guò)植入的神經(jīng)接口提供神經(jīng)刺激來(lái)恢復(fù)感覺(jué)反饋；控制條件為存在神經(jīng)刺激提供感覺(jué)反饋）。干預(yù)條件和控制條件平衡，以隨機(jī)順序呈現(xiàn)。通過(guò)MATLAB vR2016b (MathWorks)中的randperm函數(shù)創(chuàng)建隨機(jī)序列。每個(gè)任務(wù)之前，主試都要確定隨機(jī)序列。
2.參與者
參與者在參加研究前需簽署知情同意書(shū)。研究得到了塞爾維亞臨床中心倫理委員會(huì)和國(guó)家主管部門(mén)的批準(zhǔn)。選取了3位單側(cè)經(jīng)股動(dòng)脈截肢患者，選取標(biāo)準(zhǔn)如下：(1)K4假肢使用者；(2)參與研究前受耐藥性PLP的影響。3名參與者接受了手術(shù)，但由于工作時(shí)間沖突，1名參與者決定不參加實(shí)驗(yàn)，但參加了有限數(shù)量的其他流程。參與者1是一位49歲的男性，由于工作事故，他在參加這項(xiàng)研究前3年就接受了截肢手術(shù)。參與者2是一名35歲的男性，12年前曾因車(chē)禍而截肢。所有參與者都是假肢的熟練使用者。
3.流程
（1）手術(shù)：
電極的植入在全身麻醉情況下進(jìn)行。電極插入的切口位于大腿后部中間的股二頭肌和半腱肌之間的溝處，從截肢殘端開(kāi)始約4.5 cm。為了識(shí)別坐骨神經(jīng)，半腱肌向內(nèi)側(cè)移動(dòng)，股二頭肌向外側(cè)移動(dòng)。參與者被植入了5個(gè)TIME-4H電極，其中4個(gè)在坐骨神經(jīng)的脛骨支(目標(biāo)位置)，1個(gè)在腓總支，按照相同的插入流程插入。這樣做是為了避免脛骨神經(jīng)與腓總神經(jīng)錯(cuò)亂導(dǎo)致解剖出錯(cuò)。首先，在神經(jīng)外膜上開(kāi)一個(gè)小窗口，外科醫(yī)生用它橫向穿過(guò)各種可見(jiàn)的神經(jīng)束。這樣，電極穿過(guò)神經(jīng)，其活動(dòng)(刺激)部位與神經(jīng)束接觸。電極就位后，通過(guò)其特定的固定片用縫線固定在神經(jīng)外膜上。一旦所有的電極植入完成，通過(guò)剪下一小片筋膜并將其包裹在導(dǎo)電線上，可以將一個(gè)皮瓣提起。然后將皮瓣縫合到皮下組織。最后，鋼索穿過(guò)大腿并通過(guò)在前外側(cè)開(kāi)的小切口拉出大腿，位置在髂嵴下方幾厘米處，這使得與外部神經(jīng)刺激器的經(jīng)皮連接成為可能。該刺激器嵌入了手術(shù)和整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用的阻抗檢查功能。每次植入后，都要進(jìn)行接觸檢查，以驗(yàn)證激活點(diǎn)的阻抗小于100 kOhm，保證潛在的功能(在神經(jīng)中注入電荷的能力)。手術(shù)持續(xù)約4小時(shí)。在研究結(jié)束時(shí)，兩名參與者都摘除了電極。
（2）感覺(jué)特性：
植入兩天后，要求參與者描述對(duì)刺激的反應(yīng)。在每個(gè)映射過(guò)程中，有4個(gè)電極(每個(gè)電極有14個(gè)激活點(diǎn))連接到神經(jīng)刺激器(STIMEP)。STIMEP在電極激活位置和電極接地之間，提供了強(qiáng)度、時(shí)間、頻率可變的雙相平衡陰極第一脈沖電流。一名主試使用定制的軟件管理該設(shè)備。脈沖的強(qiáng)度范圍從10到980μA，脈沖長(zhǎng)度固定在10到120μs，根據(jù)激活位置和頻率變化。每?jī)纱斡?xùn)練之間間隔2秒。要求參與者描述由神經(jīng)刺激引起的感覺(jué)，描述其類型、范圍、強(qiáng)度和位置。作者開(kāi)發(fā)了一個(gè)圖形用戶界面，以供本試驗(yàn)使用。通過(guò)該軟件，記錄參與者的報(bào)告以及接受到神經(jīng)電極刺激的參數(shù)。對(duì)于感覺(jué)類型，參與者可以從一個(gè)項(xiàng)目列表中選擇，但如果需要，也可以提出新的描述，以避免迫使他們將感覺(jué)與測(cè)試要求聯(lián)系起來(lái)。位置和范圍可以畫(huà)在腳和腿的圖像上。強(qiáng)度的范圍從0到10。如果需要的話，參與者也可以自由地描述被刺激的感覺(jué)。
4.神經(jīng)康復(fù)
第一個(gè)月后，由?ssur公司為參與者安裝假肢。事實(shí)上，如果所需要的運(yùn)動(dòng)模式與之前安裝的相似，那么新安裝的假肢在適應(yīng)幾個(gè)小時(shí)之后就可以直接使用。神經(jīng)假體由硬膜內(nèi)電極、刺激器、外部控制器和感測(cè)鞋墊組成，位于定制的經(jīng)股假體下方。微處理器控制的膝關(guān)節(jié)具有集成的膝關(guān)節(jié)編碼器，膝關(guān)節(jié)角度可通過(guò)藍(lán)牙以1°分辨率進(jìn)行通信。鞋墊有織物襯底，在其上分布有七個(gè)壓力傳感器。傳感器的分辨率為0.05 kg，每個(gè)傳感器的最大可測(cè)重量為100 kg。感測(cè)鞋底采集放大系統(tǒng)的采樣頻率為75 Hz。該系統(tǒng)還有一個(gè)藍(lán)牙模塊，外部控制器在樹(shù)莓派3上實(shí)現(xiàn)。它通過(guò)一個(gè)串行外圍接口與嵌入固件的刺激器進(jìn)行通信，并通過(guò)藍(lán)牙與傳感鞋底和膝蓋編碼器進(jìn)行通信。便攜式微處理器控制傳感器讀數(shù)的記錄和獲取，并通過(guò)傳感編碼算法將其轉(zhuǎn)換為刺激參數(shù)。采集、記錄和編碼的過(guò)程持續(xù)50毫秒。神經(jīng)刺激器和外部控制器被放置在每個(gè)參與者攜帶的一個(gè)小背包里。映射過(guò)程的結(jié)果用于將傳感器與活動(dòng)位置耦合，從而在與傳感器自身位置相對(duì)應(yīng)的幻像區(qū)域中產(chǎn)生一種感覺(jué)。鞋墊壓力傳感器和膝關(guān)節(jié)編碼器的讀數(shù)被用作控制輸入，用于刺激4個(gè)激活點(diǎn)。分別在跖骨中央、跖骨外側(cè)、腳跟和小腿(圖1)。根據(jù)線性關(guān)系，實(shí)時(shí)獨(dú)立地控制注入4個(gè)目標(biāo)激活點(diǎn)的刺激脈沖的振幅。每個(gè)參與者都使用了相同的設(shè)置。雙相、對(duì)稱、陰極第一和矩形電荷平衡脈沖的振幅按如下線性關(guān)系：
其中c為刺激序列的振幅，s為傳感器讀出，s0和smax分別表示個(gè)人在行走過(guò)程中對(duì)傳感器鞋底施加的最小和最大壓力，編碼器為10度和55度；cmin和cmax是刺激振幅，分別引起最小和最大的感覺(jué)，由每個(gè)參與者根據(jù)映射程序報(bào)告。頻率固定在50 Hz。用于神經(jīng)假體的感覺(jué)類型有觸覺(jué)、壓力和振動(dòng)；對(duì)膝蓋來(lái)說(shuō)，這是幻肢小腿的激活。
5.分析指標(biāo)
從電極植入后一個(gè)月測(cè)試行走速度、信心、代謝消耗和腦力勞動(dòng)，并在植入后的第一個(gè)月進(jìn)行疼痛治療。
（1）代謝消耗評(píng)估：
采用可移動(dòng)的肺活量測(cè)定系統(tǒng)(Oxycon mobile)進(jìn)行氧氣消耗測(cè)量。然后用耗氧量除以每個(gè)參與者的體重來(lái)計(jì)算吸氧率(VO2)。所有參數(shù)以5-s增量記錄，并使用個(gè)人計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行處理。設(shè)備校準(zhǔn)是在每次記錄前進(jìn)行的，根據(jù)制造商手冊(cè)推薦的標(biāo)準(zhǔn)程序，使用自動(dòng)環(huán)境、音量和氣體校準(zhǔn)功能。氣體分析儀校準(zhǔn)使用標(biāo)準(zhǔn)氣體混合物在180 kPa：O2=16.25%;CO2= 4.13%;少量N2。實(shí)驗(yàn)分別在室內(nèi)和室外進(jìn)行。所有的測(cè)試方案都是在有、無(wú)感覺(jué)反饋的情況下隨機(jī)進(jìn)行的，試驗(yàn)間有休息。在電動(dòng)跑步機(jī)上。在跑步機(jī)上行走15分鐘并休息10分鐘后，要求每個(gè)參與者在跑步機(jī)上站立3分鐘并記錄此時(shí)的心肺參數(shù)。跑步機(jī)的速度每分鐘增加0.5 km h - 1。每個(gè)速度下的VO2是通過(guò)對(duì)以該速度行走的一分鐘內(nèi)的記錄進(jìn)行平均得到的。戶外散步是在草地上進(jìn)行的。在收集基線靜息氣體交換數(shù)據(jù)3分鐘后，參與者以自己選擇的速度步行開(kāi)始測(cè)試。為了達(dá)到并維持一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，這一階段持續(xù)6分鐘，從最后3分鐘的數(shù)據(jù)平均計(jì)算心肺反應(yīng)。作者通過(guò)總VO2和凈VO2來(lái)測(cè)量步態(tài)效率。總VO2被計(jì)算為相對(duì)于速度的穩(wěn)態(tài)VO2歸一化，而凈VO2被計(jì)算為按速度縮放的穩(wěn)態(tài)和靜止VO2之間的差值。
（2）步行速度和信心評(píng)估：
戶外實(shí)驗(yàn)中，參與者被要求在沙地上行走。每種條件的時(shí)間為1分鐘，范圍為一個(gè)4.60×4.20 m的矩形區(qū)域，參與者必須在矩形區(qū)域外以8字形的路線行走(圖1)。有感覺(jué)反饋條件與無(wú)感覺(jué)反饋條件隨機(jī)出現(xiàn)，每個(gè)條件下，2名參與者總共進(jìn)行了6分鐘×2次測(cè)試。在每一項(xiàng)試驗(yàn)中都測(cè)量了行走的距離。在每次重復(fù)的最后，參與者還被要求在步行期間使用的數(shù)字從0到10來(lái)表示自己的信心程度。
（3）心理努力評(píng)估：
為了評(píng)估參與者在有、無(wú)感覺(jué)反饋的情況下行走時(shí)的精神努力程度，作者采用了一種雙重任務(wù)模式，包括在沙地上行走的任務(wù)(主要任務(wù))和同時(shí)執(zhí)行的三音調(diào)聽(tīng)覺(jué)任務(wù)(次要任務(wù))。步行任務(wù)與之前步行速度和信心評(píng)估部分描述的相同。聽(tīng)覺(jué)任務(wù)包括通過(guò)耳機(jī)隨機(jī)呈現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)、目標(biāo)和異常音調(diào)。任務(wù)包括一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)音調(diào)(900Hz，占80%)和兩個(gè)偏差音調(diào)(600Hz和1200Hz，分別占10%)，持續(xù)80毫秒，平均刺激間隔為1000毫秒。這些音調(diào)以隨機(jī)順序呈現(xiàn)給每個(gè)參與者，并通過(guò)耳機(jī)以雙耳播放。為了防止參與者習(xí)慣這項(xiàng)任務(wù)，作者在刺激間隔中加入了一個(gè)±200毫秒的非固定時(shí)間。參與者必須安靜地?cái)?shù)著目標(biāo)音調(diào)，忽略標(biāo)準(zhǔn)音調(diào)和偏差音調(diào)，同時(shí)在沙地上行走，無(wú)論是否有感覺(jué)反饋。參與者對(duì)一個(gè)目標(biāo)音調(diào)的注意，與非目標(biāo)音調(diào)（標(biāo)準(zhǔn)和偏差）相比，預(yù)期可以誘發(fā)波幅更大的P300。在ERP分析中，主要關(guān)注Pz電極，這是P300在頭皮中央最突出的位置。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的不同，“目標(biāo)”和“異常”的刺激是600或1200Hz的音調(diào)。在目標(biāo)和非目標(biāo)條件下，計(jì)算了參與者的總平均ERP。此外，還計(jì)算了目標(biāo)和偏差(非目標(biāo))條件下以及每個(gè)實(shí)驗(yàn)條件下的P300振幅，取450-650毫秒時(shí)間窗，對(duì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。
（4）疼痛治療：
在電極植入后的第一個(gè)月進(jìn)行疼痛治療，以避免干擾假體的使用。兩名參與者都接受了兩種不同類型的疼痛治療：頻率變換刺激和頻率不變刺激。頻率不變刺激期間，進(jìn)行固定頻率(50hz)的10分鐘刺激；頻率變換刺激期間，進(jìn)行頻率可變的10分鐘刺激。在兩種情況下，訓(xùn)練由2秒的刺激和2秒的暫停組成，在假肢被分離時(shí)進(jìn)行傳遞。選擇頻率不變和頻率變換兩種范式，分別模擬恒頻刺激模式(前者)和可變頻率刺激模式(后者)。參與者1在每種刺激類型下接受了7次治療，而參與者2在每種刺激下接受了10次治療。使用NPSI和VAS問(wèn)卷進(jìn)行疼痛評(píng)估，評(píng)估時(shí)間包括：三個(gè)月、一個(gè)半月、植入前兩周、植入當(dāng)天以及每一次治療前后等。
圖1. 神經(jīng)康復(fù)
6.統(tǒng)計(jì)分析
戶外步行測(cè)試采用標(biāo)準(zhǔn)的6分鐘步行測(cè)試；智力努力評(píng)估是通過(guò)重現(xiàn)Zink等人提出的雙重任務(wù)來(lái)設(shè)計(jì)的；室外代謝消耗以Waters等人以及Steffen等人的研究為基礎(chǔ)；室內(nèi)代謝消耗的靈感來(lái)自Traballesi等人的研究；疼痛治療是根據(jù)Soin等人研究的方案設(shè)計(jì)的。作者在植入電極前計(jì)劃測(cè)量，當(dāng)參與者提出不舒服時(shí)提供治療并安排隨訪。所有數(shù)據(jù)離線在MATLAB vR2016b中進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差或中位數(shù)和四分位數(shù)范圍表示。通Kolmogorov-Smirnov檢驗(yàn)確定數(shù)據(jù)分布的正態(tài)性。根據(jù)Kolmogorov-Smirnov檢驗(yàn)結(jié)果，采用單因素方差分析Kruskal-Wallis檢驗(yàn)，對(duì)感覺(jué)特征、行走速度、行走信心、代謝成本和疼痛進(jìn)行統(tǒng)計(jì)評(píng)估。Tukey-Kramer校正應(yīng)用于多組數(shù)據(jù)的情況。對(duì)EEG信號(hào)進(jìn)行2×2方差分析(感覺(jué)反饋/無(wú)反饋×目標(biāo)/非目標(biāo)音調(diào))，并進(jìn)行事后檢驗(yàn)(配對(duì)t檢驗(yàn))。
結(jié)果：
在研究的第一個(gè)月，作者描述了志愿者對(duì)神經(jīng)刺激的反應(yīng)。將強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間和頻率不同的短脈沖電流注入到每個(gè)電極點(diǎn)。志愿者根據(jù)感覺(jué)的類型、位置、范圍和強(qiáng)度進(jìn)行描述。在幻肢的腳底和小腿感受到了在生理上相似的感覺(jué)，即志愿者報(bào)告的在這一位置感受到的觸覺(jué)、壓力、振動(dòng)以及肌肉激活的感覺(jué)與未截肢腿的感覺(jué)相似。其他與生理上的感覺(jué)相差較大的感覺(jué)也被記錄到，如針刺、脈搏跳動(dòng)和電流被喚起等感覺(jué)，這些與之前使用相同技術(shù)的實(shí)驗(yàn)中觀察到的相似，沒(méi)有被用于神經(jīng)假體測(cè)試和疼痛測(cè)試中。感覺(jué)的范圍是固定的，當(dāng)脛骨神經(jīng)內(nèi)注射的電荷改變時(shí)，感覺(jué)的范圍沒(méi)有變化(或只有輕微的變化)。感知到的感覺(jué)強(qiáng)度與注入的電荷成正比。研究使用感覺(jué)地圖來(lái)校準(zhǔn)神經(jīng)假體 (圖1)，其中包括硬膜內(nèi)電極，一個(gè)刺激器，一個(gè)外部控制器和一個(gè)感應(yīng)的鞋墊，位于一個(gè)定制的經(jīng)股假體下面。微處理器控制的膝蓋有一個(gè)集成的膝蓋編碼器。兩個(gè)鞋墊壓力傳感器和一個(gè)膝關(guān)節(jié)編碼器的讀數(shù)被用作控制輸入，用于刺激4個(gè)激活點(diǎn)(圖1)。其中3個(gè)激活點(diǎn)引起了觸感，壓力或振動(dòng)在中央跖骨，側(cè)跖骨和腳后跟；1個(gè)激活點(diǎn)引起了幻肢小腿的激活感 (圖1)。通過(guò)直接神經(jīng)刺激獲得的腳接觸和膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的感知，是在沒(méi)有預(yù)先訓(xùn)練的情況下，由佩戴假肢的使用者在行走時(shí)整合在一起的。為了驗(yàn)證神經(jīng)假體的使用是否可以為參與者提供臨床幫助，作者向參與者提出了行走任務(wù)的挑戰(zhàn)，將有感覺(jué)反饋的試驗(yàn)與沒(méi)有感覺(jué)反饋的試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比。
當(dāng)參與者走在戶外的沙地上時(shí)，評(píng)估他們的速度和信心(圖1)。參與者使用數(shù)字0到10來(lái)表示他們對(duì)假肢的信心。在測(cè)試過(guò)程中，當(dāng)提供感官反饋時(shí)，參與者的速度顯著提高(圖2a)。在上一階段，參與者1以更高的速度行走，提高了3.56±1.45 m min - 1(均值±標(biāo)準(zhǔn)差，P < 0.05)，而參與者2的改善幅度為5.68±0.44 m min?1(均值±標(biāo)準(zhǔn)差，P < 0.05)。報(bào)告的置信度(圖2b)，參與者1從4.85±0.69提高到7.71±0.48(均值±標(biāo)準(zhǔn)差，P < 0.05)；參與者2從2.7±1.09到5.55±0.8(均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差，P < 0.05)。威肯斯等人以及許多后續(xù)研究提出，為了評(píng)估行走時(shí)使用假體耗費(fèi)腦力的程度，參與者參與了一種雙重任務(wù)范式。具體來(lái)說(shuō)，參與者被要求走路(主要任務(wù))，安靜地計(jì)算通過(guò)耳機(jī)傳遞的目標(biāo)音調(diào)(次要任務(wù))，同時(shí)忽略所有非目標(biāo)音調(diào)。與非目標(biāo)音調(diào)相比，注意目標(biāo)音調(diào)可以激發(fā)出一個(gè)可分辨的、波幅更大的P300成分。更大的P300表明更多的精神資源被用于第二項(xiàng)任務(wù)，也就是說(shuō)，參與者并沒(méi)有將他們的注意力僅僅分配到第一項(xiàng)任務(wù)上(即假肢的使用)。2×2方差分析(ANOVA) (感覺(jué)反饋與無(wú)反饋×目標(biāo)音與非目標(biāo)音)結(jié)果顯示，兩個(gè)參與者的P300振幅隨音調(diào)的不同而不同(P < 0.05，圖2c-e)。此外，研究還得到了交互條件×聲調(diào)對(duì)兩個(gè)參與者的主要影響(P < 0.05，圖2c-e)。事后分析顯示，在感覺(jué)反饋條件下，兩個(gè)參與者的皮層反應(yīng)均顯著高于非目標(biāo)音調(diào)(P < 0.01) (圖2c-e)，而在無(wú)反饋條件下沒(méi)有顯著差異(P > 0.05)。這表明，在沒(méi)有反饋的步行條件下，參與者不能直接注意到雙重任務(wù)，這表明與有感官反饋的步行相比，參與者需要花費(fèi)更高的精神努力。
圖2. 步行速度、信心和精神努力評(píng)估
BIOSEMI腦電系統(tǒng)介紹
為了確定神經(jīng)假體對(duì)身體疲勞的影響，參與者被要求在室外和室內(nèi)行走，同時(shí)測(cè)量他們的代謝消耗(即耗氧量)。在室內(nèi)，參與者被要求在跑步機(jī)上行走，同時(shí)速度每分鐘增加0.5公里/小時(shí)。戶外散步是在草地上進(jìn)行的，參與者以自己選擇的速度步行。在室內(nèi)，當(dāng)提供刺激時(shí)，兩名參與者在跑步機(jī)上的速度都提高了0.5 km h - 1(圖3a)，而在沒(méi)有感覺(jué)反饋的情況下，他們沒(méi)有信心提高到這一速度。此外，在感覺(jué)反饋試驗(yàn)中，兩名參與者的平均吸氧率都較低：在大多數(shù)速度下，兩種相應(yīng)速度之間存在顯著差異(P < 0.05;圖3 a)。在戶外，參與者1在保持步行速度的情況下耗氧量較低；參與者2的耗氧量較低，但在有感覺(jué)反饋的情況下，他的步行速度存在加快(補(bǔ)充表2)。這些結(jié)果表明，采用凈VO2(方法)測(cè)量的整體步態(tài)效率有所提高：對(duì)參與者1，無(wú)反饋相比有反饋(0.261±0.027與0.215±0.026 ml kg?1 m?1，均值±標(biāo)準(zhǔn)差，P < 0.01)；對(duì)參與者2，無(wú)反饋相比有反饋(0.199±0.024和0.175±0.022 ml kg?1 m?1，均值±標(biāo)準(zhǔn)差，P < 0.01) (圖3b)。為了驗(yàn)證低頻神經(jīng)刺激是否能有效降低PLP，參與者接受了兩種類型的疼痛治療：頻率不變刺激和頻率變換刺激，這兩種刺激的頻率分別是固定的和可變的。頻率不變刺激和頻率變換刺激都是將固定位置的、與生理感覺(jué)相近的感覺(jué)作用在痛覺(jué)區(qū)域。
圖3. 代謝消耗評(píng)估
考慮到頻率變換模擬了傳入纖維觸發(fā)的泊松分布規(guī)律，作者假設(shè)頻率變換組會(huì)引起更愉悅和合理的生理感覺(jué)，從而更有效地緩解疼痛。進(jìn)行10分鐘的刺激訓(xùn)練。PLP的演變通過(guò)神經(jīng)性疼痛癥狀量表(NPSI)和視覺(jué)模擬量表(VAS)進(jìn)行測(cè)量，這些問(wèn)卷分別在10分鐘刺激的前和后提供。參與者1與參與者2在頻率不變刺激和頻率變化刺激10分鐘后，疼痛水平都明顯降低(參與者1：P < 0.05;圖4a、b) (參與者2：P < 0.05;圖4e,f)。在單獨(dú)的控制階段之前和之后，沒(méi)有觀察到疼痛水平的差異，這些階段的效果與頻率不變刺激和頻率變化刺激相比是微不足道的(圖4b,f)。通過(guò)NPSI和VAS記錄從第一個(gè)療程到最后一個(gè)療程的疼痛水平下降（NPSI：參與者1為50~0；參與者2為32~12；圖4a、c、e、g）（VAS：參與者1為12vs0；參與者2為18vs9）。與機(jī)械被動(dòng)裝置相比，商用微處理器控制的膝蓋能使參與者自主選擇的步行速度提高約8%。在本研究中，作者發(fā)現(xiàn)使用微處理器控制的膝關(guān)節(jié)(RHEO knee XC)進(jìn)行戶外活動(dòng)時(shí)，參與者的速度通過(guò)感覺(jué)反饋得到了更大的提高(>10%)。作者假設(shè)，在有感覺(jué)反饋的情況下，參與者通過(guò)向地上的肢體施加更大的力來(lái)增加他們的行走速度。事實(shí)上，單側(cè)下肢截肢者通過(guò)在地面上用兩條腿更有力地推動(dòng)來(lái)產(chǎn)生步行速度的增加，健康的一條腿是增加力較大的一個(gè)，本文也觀察到此類情況。需要進(jìn)一步詳細(xì)的分析來(lái)揭示代碼，解釋什么微觀運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)與感覺(jué)反饋和速度變化直接相關(guān)。本文發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在戶外使用感覺(jué)反饋假肢時(shí)，參與者發(fā)現(xiàn)他們對(duì)假肢的信心增加了，精神上的努力也減少了。作者認(rèn)為這些發(fā)現(xiàn)是很有價(jià)值的，因?yàn)樗鼈兛赡艽砹私鉀Q假肢使用中高遺棄率的方法，而高遺棄率可能與缺乏自信和低舒適度有關(guān)。
圖4. 疼痛治療:NPSI測(cè)量
此外，恢復(fù)生理上合理的感覺(jué)反饋是由參與者的中樞神經(jīng)系統(tǒng)直觀地整合在一起的。這些EEG結(jié)果非常重要，因?yàn)樗鼈儊?lái)自于在自然環(huán)境下執(zhí)行的記錄(不是在無(wú)噪音、無(wú)干擾的受控實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行的，設(shè)計(jì)的動(dòng)作也不那么復(fù)雜)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，創(chuàng)傷性膝上截肢會(huì)增加心血管疾病的發(fā)病率或死亡率，由心臟引起的死亡的相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)是健康對(duì)照組的2.2倍。通過(guò)降低氧氣成本來(lái)改善步行的經(jīng)濟(jì)性可以減少心肺負(fù)荷，這對(duì)解決這些問(wèn)題非常重要。一項(xiàng)研究比較兩個(gè)電流源膝蓋(C-Leg和變阻器膝蓋)和一個(gè)機(jī)械被動(dòng)膝蓋(Mauch SNS液壓)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用一個(gè)變阻器膝蓋以自主選擇的速度行走，代謝率與Mauch SNS相比下降了5%，與C-Leg相比下降了3%(沒(méi)有統(tǒng)計(jì)相關(guān)性)。在這項(xiàng)研究中，作者發(fā)現(xiàn)，在地面使用RHEO KNEE XC恢復(fù)參與者的感覺(jué)反饋時(shí)，代謝成本進(jìn)一步降低(受試者2和受試者1的步態(tài)效率分別降低了12%和17.6%)。過(guò)去的研究表明，與非微處理器為基礎(chǔ)的假膝相比，在跑步機(jī)上用c形腿行走時(shí)，經(jīng)股截肢者的VO2降低了6.6%。這些研究是在大約3km h?1的步行速度下進(jìn)行的。另一方面，本文使用的跑步機(jī)試驗(yàn)清楚地表明，在大多數(shù)參與者可接受的速度下，恢復(fù)感覺(jué)反饋會(huì)帶來(lái)平均吸氧率的降低。因此，作者發(fā)現(xiàn)感覺(jué)反饋進(jìn)一步降低了使用微處理器為基礎(chǔ)的膝蓋的經(jīng)股截肢患者的耗氧量。
作者假設(shè)，當(dāng)提供感覺(jué)反饋時(shí)，代謝成本的降低是由于兩腿之間行走對(duì)稱性的恢復(fù)和增加了自我選擇的行走速度(圖2)。實(shí)際上，步行更對(duì)稱的情況下，參與者的行走與健康人的行走更接近。而與截肢者相比，健康的行走方式會(huì)減少能量消耗。同時(shí)，由于自主選擇步行速度的增加(圖2)，代謝成本降低。事實(shí)上，Detrembleur等人的研究已經(jīng)表明，截肢者的步行能量與自主選擇速度之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系：速度越小，代謝消耗越高。有趣的是，這些結(jié)果是在兩個(gè)熟練的假肢使用者身上得到的，人們可能會(huì)認(rèn)為他們對(duì)假肢使用的進(jìn)步空間會(huì)較為有限，也就是說(shuō)，本文研發(fā)的產(chǎn)品可能對(duì)于行走能力較差或尚處在康復(fù)期間的患者更有效。在數(shù)值評(píng)定量表(0-10)上減少30%的疼痛被認(rèn)為是一個(gè)有臨床意義的結(jié)果。本研究發(fā)現(xiàn)的改善率高于80%，在電極植入前疼痛得到了明顯的抑制。疼痛的急性(即短暫)減輕可以用門(mén)理論來(lái)解釋。疼痛的逐漸減輕直到完全消失，可能是由于感覺(jué)反饋，它觸發(fā)了大腦中有益的神經(jīng)可塑性變化。由于參與者1在試驗(yàn)研究的第一個(gè)月后沒(méi)有報(bào)告任何疼痛，而參與者2只是偶爾報(bào)告，作者無(wú)法調(diào)查使用假體對(duì)疼痛水平的影響。作者相信進(jìn)一步的研究會(huì)很有趣。在緩解疼痛方面，頻率變換刺激并沒(méi)有比頻率不變刺激產(chǎn)生更好的效果，因此沒(méi)有跡象表明是否應(yīng)該使用頻率變換刺激或是頻率不變刺激。換句話說(shuō)，這些結(jié)果表明，刺激的范式并不影響疼痛治療的結(jié)果。
不過(guò)，在這項(xiàng)研究中，只比較了兩種刺激模式，應(yīng)進(jìn)一步研究更多的刺激模式，以確定影響疼痛減輕的神經(jīng)刺激參數(shù)。這項(xiàng)工作提出了一項(xiàng)概念驗(yàn)證試驗(yàn)，旨在提供初步證據(jù)，證明感覺(jué)反饋恢復(fù)對(duì)截肢者有幫助。需要更多的研究和試驗(yàn)來(lái)證明較高截肢水平的情況下是否能提供類似的刺激選擇性。利用尸體試驗(yàn)、計(jì)算模型和計(jì)算機(jī)模擬可以幫助優(yōu)化這一技術(shù)和不同截肢水平的手術(shù)程序。應(yīng)該進(jìn)行一項(xiàng)超過(guò)3個(gè)月的調(diào)查，招募更多的參與者，并進(jìn)行家庭評(píng)估，以提供更可靠的數(shù)據(jù)，得出關(guān)于改善患者健康和生活質(zhì)量的具有臨床意義的結(jié)論。需要開(kāi)發(fā)完全可植入的設(shè)備來(lái)進(jìn)行這種研究?？偟膩?lái)說(shuō)，這項(xiàng)工作為臨床工具的開(kāi)發(fā)鋪平了道路，這將顯著改善截肢者的健康和生活質(zhì)量。
總結(jié)：
本研究介紹并測(cè)試了一種新型的神經(jīng)假肢裝置，發(fā)現(xiàn)這種裝有腳與膝蓋傳感器的假肢可以通過(guò)提供感覺(jué)信息，幫助使用者提升行走速度和信心，同時(shí)減少精神、身體的疲勞以及幻肢疼痛。在問(wèn)題研究中，通過(guò)對(duì)比有感覺(jué)反饋與無(wú)感覺(jué)反饋下的行走速度、信心、代謝消耗、精神努力程度和患肢疼痛等各項(xiàng)指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)腿部截肢者感覺(jué)反饋的修復(fù)可以改善其行走速度、代謝消耗和幻肢疼痛等。在臨床應(yīng)用上，有感覺(jué)反饋可以加快行走速度、緩解痛苦、增強(qiáng)信心、緩解心臟壓力，為神經(jīng)假體的臨床研究提供了依據(jù)和發(fā)展方向。
康復(fù)一直是腦機(jī)接口發(fā)揮特長(zhǎng)的領(lǐng)域，也將是未來(lái)發(fā)展的重要領(lǐng)域，而這一領(lǐng)域中十分重要的一點(diǎn)就是解決問(wèn)題并最大程度提升用戶體驗(yàn)。這篇文章面向的是有需求的神經(jīng)假肢，而且將受眾確定為膝蓋以上截肢的人群，以實(shí)際問(wèn)題為依托開(kāi)展研究。同時(shí)，感覺(jué)反饋在神經(jīng)研究，尤其是腦機(jī)接口研究中占有重要地位，但在具體應(yīng)用中，感覺(jué)反饋的修復(fù)能發(fā)揮多大的作用以及在哪些方面可以發(fā)揮作用一直存在爭(zhēng)議，該研究有針對(duì)性地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，同時(shí)考察幾個(gè)方面并進(jìn)行獨(dú)立分析，對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了解答。
原文：Sensory feedback restoration in leg amputees improves walking speed, metabolic cost and phantom pain
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