传统的假肢不能向膝上截肢者传达有关运动或与地面交互的感觉信息，精神与身体的疲劳限制了使用者的行走速度和自信心，而缺乏从剩余的肢体到大脑的生理反馈导致了来自缺失肢体的幻肢疼痛。为了确定神经感觉反馈修复是否能解决上述问题，来自瑞士联邦理工大学的Francesco Maria Petrini等人对两名大腿截肢者进行了一项研究，在剩下的胫神经中植入4个神经内的刺激电极。参与者穿戴装有脚与膝盖传感器的假肢，通过使用这一神经假肢装置接受评估。这些传感器驱动神经刺激，可以引起膝盖运动和脚底接触地面的感觉。研究发现，与无刺激试验相比，在神经感觉反馈过程中，两位参与者的行走速度和自我报告的信心都有所提高，而精神与身体疲劳的程度有所减轻。此外，参与者通过神经感觉反馈显示幻肢疼痛减轻。这些结果为更多考察神经假体的感觉反馈修复在临床中的表现提供了理论基础。文章发表在Nature Medicine。
尽管下肢假肢的发展取得了进步，但将这种装置的感觉反馈恢复应用到大腿(膝盖以上)或小腿(膝盖以下)截肢者身上的潜在好处尚未得到研究。大多数外科技术非侵入式方法对感觉反馈恢复的测试仅局限于小腿截肢中，而小腿截肢的致残率要低于大腿截肢。通过腹侧腹内多通道电极(TIMEs)的直接神经刺激，可以使上肢截肢者感受到失去的手的触觉，并利用它们进行长期的假肢控制。只有少数直接神经刺激实验没有观察到对截肢者存在明显的有益影响。通过神经刺激恢复上肢截肢者幻肢手的感觉反馈已被证明可以减少幻肢疼痛(PLP)。然而，低频神经刺激治疗下肢截肢患者PLP的疗效尚没有研究。在这项研究中，作者招募了两个由于创伤性事件而进行截肢的志愿者，他们被植入4个TIMEs，植入位置在距离截肢处最近的胫骨神经残端，需要超过90d。
方法：
1.实验设计
所有的参与者都被分配到相同的，被控制的干预组（干预条件为通过植入的神经接口提供神经刺激来恢复感觉反馈；控制条件为存在神经刺激提供感觉反馈）。干预条件和控制条件平衡，以随机顺序呈现。通过MATLAB vR2016b (MathWorks)中的randperm函数创建随机序列。每个任务之前，主试都要确定随机序列。
2.参与者
参与者在参加研究前需签署知情同意书。研究得到了塞尔维亚临床中心伦理委员会和国家主管部门的批准。选取了3位单侧经股动脉截肢患者，选取标准如下：(1)K4假肢使用者；(2)参与研究前受耐药性PLP的影响。3名参与者接受了手术，但由于工作时间冲突，1名参与者决定不参加实验，但参加了有限数量的其他流程。参与者1是一位49岁的男性，由于工作事故，他在参加这项研究前3年就接受了截肢手术。参与者2是一名35岁的男性，12年前曾因车祸而截肢。所有参与者都是假肢的熟练使用者。
3.流程
（1）手术：
电极的植入在全身麻醉情况下进行。电极插入的切口位于大腿后部中间的股二头肌和半腱肌之间的沟处，从截肢残端开始约4.5 cm。为了识别坐骨神经，半腱肌向内侧移动，股二头肌向外侧移动。参与者被植入了5个TIME-4H电极，其中4个在坐骨神经的胫骨支(目标位置)，1个在腓总支，按照相同的插入流程插入。这样做是为了避免胫骨神经与腓总神经错乱导致解剖出错。首先，在神经外膜上开一个小窗口，外科医生用它横向穿过各种可见的神经束。这样，电极穿过神经，其活动(刺激)部位与神经束接触。电极就位后，通过其特定的固定片用缝线固定在神经外膜上。一旦所有的电极植入完成，通过剪下一小片筋膜并将其包裹在导电线上，可以将一个皮瓣提起。然后将皮瓣缝合到皮下组织。最后，钢索穿过大腿并通过在前外侧开的小切口拉出大腿，位置在髂嵴下方几厘米处，这使得与外部神经刺激器的经皮连接成为可能。该刺激器嵌入了手术和整个实验过程中使用的阻抗检查功能。每次植入后，都要进行接触检查，以验证激活点的阻抗小于100 kOhm，保证潜在的功能(在神经中注入电荷的能力)。手术持续约4小时。在研究结束时，两名参与者都摘除了电极。
（2）感觉特性：
植入两天后，要求参与者描述对刺激的反应。在每个映射过程中，有4个电极(每个电极有14个激活点)连接到神经刺激器(STIMEP)。STIMEP在电极激活位置和电极接地之间，提供了强度、时间、频率可变的双相平衡阴极第一脉冲电流。一名主试使用定制的软件管理该设备。脉冲的强度范围从10到980μA，脉冲长度固定在10到120μs，根据激活位置和频率变化。每两次训练之间间隔2秒。要求参与者描述由神经刺激引起的感觉，描述其类型、范围、强度和位置。作者开发了一个图形用户界面，以供本试验使用。通过该软件，记录参与者的报告以及接受到神经电极刺激的参数。对于感觉类型，参与者可以从一个项目列表中选择，但如果需要，也可以提出新的描述，以避免迫使他们将感觉与测试要求联系起来。位置和范围可以画在脚和腿的图像上。强度的范围从0到10。如果需要的话，参与者也可以自由地描述被刺激的感觉。
4.神经康复
第一个月后，由Össur公司为参与者安装假肢。事实上，如果所需要的运动模式与之前安装的相似，那么新安装的假肢在适应几个小时之后就可以直接使用。神经假体由硬膜内电极、刺激器、外部控制器和感测鞋垫组成，位于定制的经股假体下方。微处理器控制的膝关节具有集成的膝关节编码器，膝关节角度可通过蓝牙以1°分辨率进行通信。鞋垫有织物衬底，在其上分布有七个压力传感器。传感器的分辨率为0.05 kg，每个传感器的最大可测重量为100 kg。感测鞋底采集放大系统的采样频率为75 Hz。该系统还有一个蓝牙模块，外部控制器在树莓派3上实现。它通过一个串行外围接口与嵌入固件的刺激器进行通信，并通过蓝牙与传感鞋底和膝盖编码器进行通信。便携式微处理器控制传感器读数的记录和获取，并通过传感编码算法将其转换为刺激参数。采集、记录和编码的过程持续50毫秒。神经刺激器和外部控制器被放置在每个参与者携带的一个小背包里。映射过程的结果用于将传感器与活动位置耦合，从而在与传感器自身位置相对应的幻像区域中产生一种感觉。鞋垫压力传感器和膝关节编码器的读数被用作控制输入，用于刺激4个激活点。分别在跖骨中央、跖骨外侧、脚跟和小腿(图1)。根据线性关系，实时独立地控制注入4个目标激活点的刺激脉冲的振幅。每个参与者都使用了相同的设置。双相、对称、阴极第一和矩形电荷平衡脉冲的振幅按如下线性关系：
其中c为刺激序列的振幅，s为传感器读出，s0和smax分别表示个人在行走过程中对传感器鞋底施加的最小和最大压力，编码器为10度和55度；cmin和cmax是刺激振幅，分别引起最小和最大的感觉，由每个参与者根据映射程序报告。频率固定在50 Hz。用于神经假体的感觉类型有触觉、压力和振动；对膝盖来说，这是幻肢小腿的激活。
5.分析指标
从电极植入后一个月测试行走速度、信心、代谢消耗和脑力劳动，并在植入后的第一个月进行疼痛治疗。
（1）代谢消耗评估：
采用可移动的肺活量测定系统(Oxycon mobile)进行氧气消耗测量。然后用耗氧量除以每个参与者的体重来计算吸氧率(VO2)。所有参数以5-s增量记录，并使用个人计算机软件进行处理。设备校准是在每次记录前进行的，根据制造商手册推荐的标准程序，使用自动环境、音量和气体校准功能。气体分析仪校准使用标准气体混合物在180 kPa：O2=16.25%;CO2= 4.13%;少量N2。实验分别在室内和室外进行。所有的测试方案都是在有、无感觉反馈的情况下随机进行的，试验间有休息。在电动跑步机上。在跑步机上行走15分钟并休息10分钟后，要求每个参与者在跑步机上站立3分钟并记录此时的心肺参数。跑步机的速度每分钟增加0.5 km h - 1。每个速度下的VO2是通过对以该速度行走的一分钟内的记录进行平均得到的。户外散步是在草地上进行的。在收集基线静息气体交换数据3分钟后，参与者以自己选择的速度步行开始测试。为了达到并维持一个稳定的状态，这一阶段持续6分钟，从最后3分钟的数据平均计算心肺反应。作者通过总VO2和净VO2来测量步态效率。总VO2被计算为相对于速度的稳态VO2归一化，而净VO2被计算为按速度缩放的稳态和静止VO2之间的差值。
（2）步行速度和信心评估：
户外实验中，参与者被要求在沙地上行走。每种条件的时间为1分钟，范围为一个4.60×4.20 m的矩形区域，参与者必须在矩形区域外以8字形的路线行走(图1)。有感觉反馈条件与无感觉反馈条件随机出现，每个条件下，2名参与者总共进行了6分钟×2次测试。在每一项试验中都测量了行走的距离。在每次重复的最后，参与者还被要求在步行期间使用的数字从0到10来表示自己的信心程度。
（3）心理努力评估：
为了评估参与者在有、无感觉反馈的情况下行走时的精神努力程度，作者采用了一种双重任务模式，包括在沙地上行走的任务(主要任务)和同时执行的三音调听觉任务(次要任务)。步行任务与之前步行速度和信心评估部分描述的相同。听觉任务包括通过耳机随机呈现的标准、目标和异常音调。任务包括一个标准音调(900Hz，占80%)和两个偏差音调(600Hz和1200Hz，分别占10%)，持续80毫秒，平均刺激间隔为1000毫秒。这些音调以随机顺序呈现给每个参与者，并通过耳机以双耳播放。为了防止参与者习惯这项任务，作者在刺激间隔中加入了一个±200毫秒的非固定时间。参与者必须安静地数着目标音调，忽略标准音调和偏差音调，同时在沙地上行走，无论是否有感觉反馈。参与者对一个目标音调的注意，与非目标音调（标准和偏差）相比，预期可以诱发波幅更大的P300。在ERP分析中，主要关注Pz电极，这是P300在头皮中央最突出的位置。根据实验的不同，“目标”和“异常”的刺激是600或1200Hz的音调。在目标和非目标条件下，计算了参与者的总平均ERP。此外，还计算了目标和偏差(非目标)条件下以及每个实验条件下的P300振幅，取450-650毫秒时间窗，对结果进行统计分析。
（4）疼痛治疗：
在电极植入后的第一个月进行疼痛治疗，以避免干扰假体的使用。两名参与者都接受了两种不同类型的疼痛治疗：频率变换刺激和频率不变刺激。频率不变刺激期间，进行固定频率(50hz)的10分钟刺激；频率变换刺激期间，进行频率可变的10分钟刺激。在两种情况下，训练由2秒的刺激和2秒的暂停组成，在假肢被分离时进行传递。选择频率不变和频率变换两种范式，分别模拟恒频刺激模式(前者)和可变频率刺激模式(后者)。参与者1在每种刺激类型下接受了7次治疗，而参与者2在每种刺激下接受了10次治疗。使用NPSI和VAS问卷进行疼痛评估，评估时间包括：三个月、一个半月、植入前两周、植入当天以及每一次治疗前后等。
图1. 神经康复
6.统计分析
户外步行测试采用标准的6分钟步行测试；智力努力评估是通过重现Zink等人提出的双重任务来设计的；室外代谢消耗以Waters等人以及Steffen等人的研究为基础；室内代谢消耗的灵感来自Traballesi等人的研究；疼痛治疗是根据Soin等人研究的方案设计的。作者在植入电极前计划测量，当参与者提出不舒服时提供治疗并安排随访。所有数据离线在MATLAB vR2016b中进行分析。数据以平均值±标准差或中位数和四分位数范围表示。通Kolmogorov-Smirnov检验确定数据分布的正态性。根据Kolmogorov-Smirnov检验结果，采用单因素方差分析Kruskal-Wallis检验，对感觉特征、行走速度、行走信心、代谢成本和疼痛进行统计评估。Tukey-Kramer校正应用于多组数据的情况。对EEG信号进行2×2方差分析(感觉反馈/无反馈×目标/非目标音调)，并进行事后检验(配对t检验)。
结果：
在研究的第一个月，作者描述了志愿者对神经刺激的反应。将强度、持续时间和频率不同的短脉冲电流注入到每个电极点。志愿者根据感觉的类型、位置、范围和强度进行描述。在幻肢的脚底和小腿感受到了在生理上相似的感觉，即志愿者报告的在这一位置感受到的触觉、压力、振动以及肌肉激活的感觉与未截肢腿的感觉相似。其他与生理上的感觉相差较大的感觉也被记录到，如针刺、脉搏跳动和电流被唤起等感觉，这些与之前使用相同技术的实验中观察到的相似，没有被用于神经假体测试和疼痛测试中。感觉的范围是固定的，当胫骨神经内注射的电荷改变时，感觉的范围没有变化(或只有轻微的变化)。感知到的感觉强度与注入的电荷成正比。研究使用感觉地图来校准神经假体 (图1)，其中包括硬膜内电极，一个刺激器，一个外部控制器和一个感应的鞋垫，位于一个定制的经股假体下面。微处理器控制的膝盖有一个集成的膝盖编码器。两个鞋垫压力传感器和一个膝关节编码器的读数被用作控制输入，用于刺激4个激活点(图1)。其中3个激活点引起了触感，压力或振动在中央跖骨，侧跖骨和脚后跟；1个激活点引起了幻肢小腿的激活感 (图1)。通过直接神经刺激获得的脚接触和膝关节运动的感知，是在没有预先训练的情况下，由佩戴假肢的使用者在行走时整合在一起的。为了验证神经假体的使用是否可以为参与者提供临床帮助，作者向参与者提出了行走任务的挑战，将有感觉反馈的试验与没有感觉反馈的试验进行对比。
当参与者走在户外的沙地上时，评估他们的速度和信心(图1)。参与者使用数字0到10来表示他们对假肢的信心。在测试过程中，当提供感官反馈时，参与者的速度显著提高(图2a)。在上一阶段，参与者1以更高的速度行走，提高了3.56±1.45 m min - 1(均值±标准差，P < 0.05)，而参与者2的改善幅度为5.68±0.44 m min−1(均值±标准差，P < 0.05)。报告的置信度(图2b)，参与者1从4.85±0.69提高到7.71±0.48(均值±标准差，P < 0.05)；参与者2从2.7±1.09到5.55±0.8(均数±标准差，P < 0.05)。威肯斯等人以及许多后续研究提出，为了评估行走时使用假体耗费脑力的程度，参与者参与了一种双重任务范式。具体来说，参与者被要求走路(主要任务)，安静地计算通过耳机传递的目标音调(次要任务)，同时忽略所有非目标音调。与非目标音调相比，注意目标音调可以激发出一个可分辨的、波幅更大的P300成分。更大的P300表明更多的精神资源被用于第二项任务，也就是说，参与者并没有将他们的注意力仅仅分配到第一项任务上(即假肢的使用)。2×2方差分析(ANOVA) (感觉反馈与无反馈×目标音与非目标音)结果显示，两个参与者的P300振幅随音调的不同而不同(P < 0.05，图2c-e)。此外，研究还得到了交互条件×声调对两个参与者的主要影响(P < 0.05，图2c-e)。事后分析显示，在感觉反馈条件下，两个参与者的皮层反应均显著高于非目标音调(P < 0.01) (图2c-e)，而在无反馈条件下没有显著差异(P > 0.05)。这表明，在没有反馈的步行条件下，参与者不能直接注意到双重任务，这表明与有感官反馈的步行相比，参与者需要花费更高的精神努力。
图2. 步行速度、信心和精神努力评估
BIOSEMI脑电系统介绍
为了确定神经假体对身体疲劳的影响，参与者被要求在室外和室内行走，同时测量他们的代谢消耗(即耗氧量)。在室内，参与者被要求在跑步机上行走，同时速度每分钟增加0.5公里/小时。户外散步是在草地上进行的，参与者以自己选择的速度步行。在室内，当提供刺激时，两名参与者在跑步机上的速度都提高了0.5 km h - 1(图3a)，而在没有感觉反馈的情况下，他们没有信心提高到这一速度。此外，在感觉反馈试验中，两名参与者的平均吸氧率都较低：在大多数速度下，两种相应速度之间存在显著差异(P < 0.05;图3 a)。在户外，参与者1在保持步行速度的情况下耗氧量较低；参与者2的耗氧量较低，但在有感觉反馈的情况下，他的步行速度存在加快(补充表2)。这些结果表明，采用净VO2(方法)测量的整体步态效率有所提高：对参与者1，无反馈相比有反馈(0.261±0.027与0.215±0.026 ml kg−1 m−1，均值±标准差，P < 0.01)；对参与者2，无反馈相比有反馈(0.199±0.024和0.175±0.022 ml kg−1 m−1，均值±标准差，P < 0.01) (图3b)。为了验证低频神经刺激是否能有效降低PLP，参与者接受了两种类型的疼痛治疗：频率不变刺激和频率变换刺激，这两种刺激的频率分别是固定的和可变的。频率不变刺激和频率变换刺激都是将固定位置的、与生理感觉相近的感觉作用在痛觉区域。
图3. 代谢消耗评估
考虑到频率变换模拟了传入纤维触发的泊松分布规律，作者假设频率变换组会引起更愉悦和合理的生理感觉，从而更有效地缓解疼痛。进行10分钟的刺激训练。PLP的演变通过神经性疼痛症状量表(NPSI)和视觉模拟量表(VAS)进行测量，这些问卷分别在10分钟刺激的前和后提供。参与者1与参与者2在频率不变刺激和频率变化刺激10分钟后，疼痛水平都明显降低(参与者1：P < 0.05;图4a、b) (参与者2：P < 0.05;图4e,f)。在单独的控制阶段之前和之后，没有观察到疼痛水平的差异，这些阶段的效果与频率不变刺激和频率变化刺激相比是微不足道的(图4b,f)。通过NPSI和VAS记录从第一个疗程到最后一个疗程的疼痛水平下降（NPSI：参与者1为50~0；参与者2为32~12；图4a、c、e、g）（VAS：参与者1为12vs0；参与者2为18vs9）。与机械被动装置相比，商用微处理器控制的膝盖能使参与者自主选择的步行速度提高约8%。在本研究中，作者发现使用微处理器控制的膝关节(RHEO knee XC)进行户外活动时，参与者的速度通过感觉反馈得到了更大的提高(>10%)。作者假设，在有感觉反馈的情况下，参与者通过向地上的肢体施加更大的力来增加他们的行走速度。事实上，单侧下肢截肢者通过在地面上用两条腿更有力地推动来产生步行速度的增加，健康的一条腿是增加力较大的一个，本文也观察到此类情况。需要进一步详细的分析来揭示代码，解释什么微观运动学参数与感觉反馈和速度变化直接相关。本文发现，当在户外使用感觉反馈假肢时，参与者发现他们对假肢的信心增加了，精神上的努力也减少了。作者认为这些发现是很有价值的，因为它们可能代表了解决假肢使用中高遗弃率的方法，而高遗弃率可能与缺乏自信和低舒适度有关。
图4. 疼痛治疗:NPSI测量
此外，恢复生理上合理的感觉反馈是由参与者的中枢神经系统直观地整合在一起的。这些EEG结果非常重要，因为它们来自于在自然环境下执行的记录(不是在无噪音、无干扰的受控实验室条件下进行的，设计的动作也不那么复杂)。从长远来看，创伤性膝上截肢会增加心血管疾病的发病率或死亡率，由心脏引起的死亡的相对风险是健康对照组的2.2倍。通过降低氧气成本来改善步行的经济性可以减少心肺负荷，这对解决这些问题非常重要。一项研究比较两个电流源膝盖(C-Leg和变阻器膝盖)和一个机械被动膝盖(Mauch SNS液压)发现，当使用一个变阻器膝盖以自主选择的速度行走，代谢率与Mauch SNS相比下降了5%，与C-Leg相比下降了3%(没有统计相关性)。在这项研究中，作者发现，在地面使用RHEO KNEE XC恢复参与者的感觉反馈时，代谢成本进一步降低(受试者2和受试者1的步态效率分别降低了12%和17.6%)。过去的研究表明，与非微处理器为基础的假膝相比，在跑步机上用c形腿行走时，经股截肢者的VO2降低了6.6%。这些研究是在大约3km h−1的步行速度下进行的。另一方面，本文使用的跑步机试验清楚地表明，在大多数参与者可接受的速度下，恢复感觉反馈会带来平均吸氧率的降低。因此，作者发现感觉反馈进一步降低了使用微处理器为基础的膝盖的经股截肢患者的耗氧量。
作者假设，当提供感觉反馈时，代谢成本的降低是由于两腿之间行走对称性的恢复和增加了自我选择的行走速度(图2)。实际上，步行更对称的情况下，参与者的行走与健康人的行走更接近。而与截肢者相比，健康的行走方式会减少能量消耗。同时，由于自主选择步行速度的增加(图2)，代谢成本降低。事实上，Detrembleur等人的研究已经表明，截肢者的步行能量与自主选择速度之间存在负相关关系：速度越小，代谢消耗越高。有趣的是，这些结果是在两个熟练的假肢使用者身上得到的，人们可能会认为他们对假肢使用的进步空间会较为有限，也就是说，本文研发的产品可能对于行走能力较差或尚处在康复期间的患者更有效。在数值评定量表(0-10)上减少30%的疼痛被认为是一个有临床意义的结果。本研究发现的改善率高于80%，在电极植入前疼痛得到了明显的抑制。疼痛的急性(即短暂)减轻可以用门理论来解释。疼痛的逐渐减轻直到完全消失，可能是由于感觉反馈，它触发了大脑中有益的神经可塑性变化。由于参与者1在试验研究的第一个月后没有报告任何疼痛，而参与者2只是偶尔报告，作者无法调查使用假体对疼痛水平的影响。作者相信进一步的研究会很有趣。在缓解疼痛方面，频率变换刺激并没有比频率不变刺激产生更好的效果，因此没有迹象表明是否应该使用频率变换刺激或是频率不变刺激。换句话说，这些结果表明，刺激的范式并不影响疼痛治疗的结果。
不过，在这项研究中，只比较了两种刺激模式，应进一步研究更多的刺激模式，以确定影响疼痛减轻的神经刺激参数。这项工作提出了一项概念验证试验，旨在提供初步证据，证明感觉反馈恢复对截肢者有帮助。需要更多的研究和试验来证明较高截肢水平的情况下是否能提供类似的刺激选择性。利用尸体试验、计算模型和计算机模拟可以帮助优化这一技术和不同截肢水平的手术程序。应该进行一项超过3个月的调查，招募更多的参与者，并进行家庭评估，以提供更可靠的数据，得出关于改善患者健康和生活质量的具有临床意义的结论。需要开发完全可植入的设备来进行这种研究。总的来说，这项工作为临床工具的开发铺平了道路，这将显著改善截肢者的健康和生活质量。
总结：
本研究介绍并测试了一种新型的神经假肢装置，发现这种装有脚与膝盖传感器的假肢可以通过提供感觉信息，帮助使用者提升行走速度和信心，同时减少精神、身体的疲劳以及幻肢疼痛。在问题研究中，通过对比有感觉反馈与无感觉反馈下的行走速度、信心、代谢消耗、精神努力程度和患肢疼痛等各项指标，发现腿部截肢者感觉反馈的修复可以改善其行走速度、代谢消耗和幻肢疼痛等。在临床应用上，有感觉反馈可以加快行走速度、缓解痛苦、增强信心、缓解心脏压力，为神经假体的临床研究提供了依据和发展方向。
康复一直是脑机接口发挥特长的领域，也将是未来发展的重要领域，而这一领域中十分重要的一点就是解决问题并最大程度提升用户体验。这篇文章面向的是有需求的神经假肢，而且将受众确定为膝盖以上截肢的人群，以实际问题为依托开展研究。同时，感觉反馈在神经研究，尤其是脑机接口研究中占有重要地位，但在具体应用中，感觉反馈的修复能发挥多大的作用以及在哪些方面可以发挥作用一直存在争议，该研究有针对性地设计实验，同时考察几个方面并进行独立分析，对这一问题进行了解答。
原文：Sensory feedback restoration in leg amputees improves walking speed, metabolic cost and phantom pain
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