机械性伤害感受触觉反馈（mechanonociceptive tactile feedback）在重复 human-in-the-loop 交互中增强假肢抓握控制：刺激频率、时间调制与空间配置的作用

《Frontiers in Neurorobotics》：Mechanonociceptive tactile feedback enhances prosthetic grasp control during repeated human-in-the-loop interaction

　　

上肢假肢系统在重复交互过程中持续面临一个基本挑战，即提供功能上仍有效的感觉反馈。本研究考察无害疼痛反馈（innocuous painful feedback, IPF），这是一种受控的机械性伤害感受触觉模态（mechanonociceptive tactile modality），旨在在 human-in-the-loop 假肢交互期间提供显著的误差相关信息。研究人员开发了一个定制实验平台，以在健康受试者中模拟假肢抓握条件，从而能够在反馈模态、刺激频率、时间调制策略和空间配置等方面系统评估 IPF。与仅视觉反馈和视觉+力反馈相比，IPF 与更低的抓握位置误差相关，支持其作为边界约束抓握控制的矫正性感觉反馈模态的潜力。在测试频率范围内，高频刺激产生最低误差水平，表明 IPF 的功能有效性取决于刺激频率。在重复交互中，渐进频率调制（progressive frequency modulation, PFM）通常比固定频率刺激维持更低的误差水平；序贯双位点刺激（sequential dual-site stimulation）比重复单点刺激（repeated single-site stimulation）产生更低的总体受试者水平误差，尽管这种差异的幅度在试次序列中有所变化。总体而言，这些发现表明机械性伤害感受反馈的行为有效性不仅取决于反馈模态，还取决于其时间和空间组织。作为一项在神经完整受试者中使用虚拟类假肢抓握范式（virtual prosthetic-like grasping paradigm）进行的概念验证（proof-of-concept）研究，这些发现为后续在上肢截肢者（individuals with upper-limb amputation）和物理假肢设备中进行验证提供了基础。

一、研究背景与问题
上肢假肢系统长期缺乏在重复交互中仍具功能有效性的感觉反馈。人类手部灵巧交互依赖躯体感觉、本体感觉和伤害感受反馈的连续整合，但上肢缺失或严重手部损伤者常依赖肌电假肢，且主要依赖视觉反馈，导致认知负荷升高、交互稳定性下降。已有感觉替代、模态匹配反馈、直接神经刺激、靶向肌肉神经再支配等策略，但振动触觉、电触觉和力反馈仍存在快速习惯化、认知过载和用户适应不一致等问题。伤害感受反馈已被用于保护性感知和撤回反应，但机械递送的无害机械性伤害感受刺激作为错误依赖反馈模态用于假肢抓握控制尚未被系统研究。因此，研究人员开展本研究，考察无害疼痛反馈（innocuous painful feedback, IPF）在虚拟类假肢抓握控制中的作用，尤其关注重复交互中反馈有效性的持久性。

二、研究开展、结论与意义
研究人员在健康受试者中构建人环交互实验，比较反馈模态，并系统评估 IPF 的刺激频率、时间调制策略和空间配置。结论显示，IPF 与低于仅视觉和视觉+力反馈的抓握位置误差相关；在测试频率范围内，高频刺激产生最低误差；渐进频率调制（PFM）在重复交互中通常较固定频率刺激维持更低误差；序贯双位点刺激的受试者水平总体误差低于重复单点刺激，但线性混合效应模型（LMMs）未提供显著证据。该研究作为概念验证，为后续在上肢截肢者和物理假肢设备中验证机械性伤害感受反馈提供了实验基础。

三、关键技术方法
研究纳入 8 名健康成人志愿者（n = 8；4 男 4 女；年龄 25.4 ± 7.4 岁；均为右利手；招募于 2025-07-01 至 2025-07-15；Istanbul Medipol University 伦理批准，E-10840098-202.3.02-4105）。平台由手外骨骼、触觉刺激器（tactor）和虚拟现实（VR）环境组成。外骨骼用高精度旋转电位器测量拇指和中指连杆关节角，经 Arduino Mega 2560 的 10 位模数转换器数字化，再以闭链矢量环前向运动学计算指尖位置并控制虚拟抓具。VR 虚拟圆柱直径随机变化，以中指指尖侵入边界的深度定义位置误差 E(t)，按 100 ms 非重叠窗计算。tactor 由 SAV?X SH-1357 数字微型伺服位置控制，IPF 用 1 mm 锥形尖端，力反馈用 6 mm 球形尖端；用递增极限法校准每位受试者的 L、H，按 I = L + α(H?L)（α = 0.5）设定操作位置。实验比较反馈模态、5/30/60 Hz 频率、误差驱动 PFM 和单点/序贯双点空间配置。

四、研究结果
3.1 Experiment 1: Effectiveness of IPF in enhancing position control compared to visual and force feedback（实验1：与视觉和力反馈相比，IPF 增强位置控制的有效性）
通过重复虚拟抓握任务比较仅视觉、视觉+力和视觉+IPF。受试者水平结果显示，仅视觉误差约 8.5 mm（SD ≈ 1.2），视觉+力约 7.1 mm（SD ≈ 1.0），视觉+IPF 约 3.0 mm（SD ≈ 0.8）。Holm 校正后，仅视觉与视觉+力（p = 8.7 × 10^?5）、仅视觉与视觉+IPF（p = 1.65 × 10^?8）、视觉+力与视觉+IPF（p = 1.40 × 10^?8）均显著，表明 IPF 提供更显著的矫正信息。

3.1.1 Participant-wise performance across feedback conditions（受试者水平跨反馈条件性能）
受试者水平分析表明，IPF 条件下平均位置误差最低，力反馈仅有中度改善，仅视觉最差。

3.1.2 Subsession-wise performance trends within each condition（各条件子会话内性能趋势）
仅视觉中位误差从 S1 的 8.7 mm 到 S3 的 8.4 mm，Holm 校正后无显著改善；视觉+力中位误差从 7.3 mm 降至 6.9 mm，仅 S2 与 S3 显著（p = 0.0019）；视觉+IPF 中位误差约从 3.2 mm 到 2.7 mm，各子会话无显著差异，显示重复交互中稳定低误差。

3.2 Experiment 2: Effect of frequency variation in IPF on grasping performance during repeated interaction（实验2：IPF 频率变化对重复交互中抓握性能的影响）
通过 5、30、60 Hz 频率比较，受试者水平平均位置误差从 5 Hz 的 2.47 ± 0.73 mm 降至 30 Hz 的 1.50 ± 0.23 mm 和 60 Hz 的 1.01 ± 0.50 mm，中位误差分别为 2.37、1.50、0.88 mm。Friedman 检验显著 [χ²(2) = 12.25，p = 0.0022]；Wilcoxon 符号秩检验经 Holm 校正后，5 vs 30 Hz（p_adj = 0.0313）、5 vs 60 Hz（p_adj = 0.0234）、30 vs 60 Hz（p_adj = 0.0313）均显著，对应 d_z = 1.52、2.29、1.44。Session 1 与 Session 2 分析显示各频率均出现显著会话相关变化，但频率依赖的误差排序仍保持。

3.3 Experiment 3: Effects of error-driven frequency modulation on grasping performance（实验3：误差驱动频率调制对抓握性能的影响）
比较 PFM 与固定 60 Hz。PFM 按误差阈值在 5、30、60 Hz 间离散切换。

3.3.1 Early-stage performance trends: PFM vs. fixed 60 Hz（早期阶段性能趋势：PFM 与固定 60 Hz）
15 个连续试次中，PFM 误差在多数试次描述性低于固定 60 Hz，但线性混合效应模型未显示条件主效应 [F(1, 203) = 0.453，p = 0.502]；试次主效应显著 [F(14, 203) = 2.351，p = 0.0049]，条件×试次交互显著 [F(14, 203) = 2.785，p < 0.001]。

3.3.2 Sustained performance during repeated interaction: PFM vs. fixed 60 Hz（重复交互中的持续性能：PFM 与固定 60 Hz）
35 个连续试次中，固定 60 Hz 平均误差 1.680 ± 0.211 mm，PFM 为 1.049 ± 0.284 mm；受试者水平配对差为 0.631 mm（95% CI：0.243–1.019 mm），d_z = 1.920。LMM 显示条件主效应显著 [F(1, 483) = 5.726，p = 0.017]，试次主效应显著 [F(34, 483) = 3.997，p < 0.001]，条件×试次交互显著 [F(34, 483) = 3.583，p < 0.001]。结果表明 PFM 在延长重复交互中保持较低抓握控制误差，但未直接测量知觉习惯化。

3.4 Experiment 4: Influence of spatial stimulation configuration (single-site vs. sequential dual-site stimulation) on position control accuracy（实验4：空间刺激配置（单点与序贯双位点刺激）对位置控制准确性的影响）
20 个连续试次中，单点刺激平均误差 1.221 ± 0.166 mm，序贯双位点刺激 0.898 ± 0.284 mm；受试者水平配对差 0.323 mm（95% CI：0.047–0.600 mm），d_z = 0.979。但 LMM 未显示空间配置主效应 [F(1, 273) = 2.723，p = 0.100]，试次主效应 [F(19, 273) = 0.664，p = 0.853] 和交互 [F(19, 273) = 0.869，p = 0.622] 均不显著。因此，序贯双位点刺激表现为有希望的行为倾向，但未获确认性统计证据。

五、讨论总结
研究显示，IPF 相较传统反馈条件降低抓握位置误差，其行为有效性受刺激频率、时间调制和空间配置影响。该优势不能简单归因于额外感觉通道，因为力反馈也增加通道但效果较弱；机械诱发的尖锐或疼痛感觉具有显著知觉凸显性，但 IPF 并非用于复制生物疼痛或诱导厌恶状态，而是作为受控机械性伤害感受线索指示过度位移。子会话分析表明，仅视觉重复不足以改善性能，视觉+力仅有有限晚期改善，而 IPF 优势在重复任务结构中维持。频率实验中，高频在测试范围内误差最低，但不能解释为单调改善，只能视为该参数范围内优势。PFM 通常低于固定频率，但由于未直接测量知觉习惯化，不能将其机制归于减少习惯化。空间配置中，序贯双位点受试者水平误差较低，但混合效应模型未显著，应视为需更大样本确认的倾向。研究局限包括：在神经完整受试者中使用虚拟类假肢范式，而非截肢者物理假肢；不能直接临床外推；残肢感知和伤害感受敏感性可能不同；未来需在残肢进行受试者特异性校准、物理假肢、不同机械性质和任务需求下验证，并补充任务级、知觉和用户中心指标及更长时程实验。

六、研究结论翻译
本研究考察了 IPF 作为一种机械性伤害感受触觉反馈模态，在重复 human-in-the-loop 类假肢交互中用于边界约束抓握控制的作用。在受控实验范式内，IPF 与低于仅视觉和视觉+力反馈的位置误差相关，表明机械性伤害感受刺激可在抓握执行中提供行为有用的误差相关信息。
除反馈模态外，结果显示性能还受机械性伤害感受刺激传递方式影响。在测试频率范围内，高频刺激产生最低位置误差，而渐进频率调制在重复交互中通常较固定频率刺激维持更低误差水平。序贯双位点刺激也比重复单点刺激产生更低的总体受试者水平位置误差。总之，这些发现表明机械性伤害感受反馈的功能有效性不仅取决于感觉线索的可用性，还取决于其时间和空间组织。
当前发现应解释为在神经完整受试者中使用虚拟类假肢抓握范式获得的概念验证证据，而不是假肢使用者临床疗效证据。尤其，在完整组织中建立的刺激参数和感知范围不能直接转移到残肢，因为个体间感觉和伤害感受敏感性可能差异很大。所提方法的转化需要在上肢截肢者中使用物理假肢和功能性物体操作任务进行受试者特异性校准和验证。未来研究还应确定渐进时间调制和序贯多位点刺激的观察优势是否在长时间使用中持续，以及是否转化为功能性能、耐受性和用户体验改善。这些发现为机械性伤害感受反馈作为假肢控制感觉反馈策略的系统优化和后续临床评价提供了基础。