假肢是幫助截肢患者獲得或部分獲得健全人肢體功能的重要工具。與傳統的僅具裝飾性功能和僅有前饋控制通路的假肢相比，假肢的感知反饋功能是其正常工作和實現自身安全的重要保障，包括位置、力、紋理、粗糙度、溫度等環境信息及假肢自身信息感知能力。本文從感知信號識別方式和感知反饋方式兩個方面總結了近年來國內外假肢在感知及反饋技術領域的發展和現狀。其中，在感知信號識別方式上，主要概況了當前常用的與感知信息采集相關的傳感器及其在假肢中的應用現狀。同時從力反饋刺激、侵入式與非侵入式電刺激、震動刺激等方面對感知反饋方式進行總結和分析。最后，提出假肢在感知及反饋技術方面目前仍存在的一些問題，并對其發展趨勢進行展望。
引用本文： 朱波, 褚亞奇, 趙新剛. 假肢中的感知及其反饋技術研究進展. 生物醫學工程學雜志, 2019, 36(6): 1048-1054. doi: 10.7507/1001-5515.201904064 復制
引言
當前我國眾多殘疾人士中超過三分之一為四肢殘疾，其中多數屬于截肢患者[1]。假肢是幫助截肢患者獲得失去肢體部分功能的重要工具，通常分為上肢假肢和下肢假肢，上肢假肢通常代償手或手臂的功能，下肢假肢通常能幫助下肢截肢患者獲得部分失去的行走能力。大部分傳統假肢僅具有前向控制功能，在使用時需要經過長期大量的訓練和適應，同時使用者需要時刻小心盯著自己的假肢，造成使用假肢時無法進行其他活動、過度集中注意力容易疲憊等困擾。在假肢上加入感知功能，模仿人類原生的觸覺、溫度覺、痛覺等感知能力是解決上述困擾的方法[2]。
目前，國內外已有很多學者對假肢的感知反饋系統進行了研究，也取得了一些很好的成效，但是很少有文章對假肢的感知反饋系統進行總結。基于此，本文首先介紹假肢系統，然后分別從感知信號識別方式和人體的反饋刺激方式兩方面總結分析假肢感知反饋系統的發展與現狀，然后對其發展趨勢進行分析與展望，以期在相關研究人員進行假肢的感知及其反饋技術研究時能給予一定的借鑒和參考。
1 假肢系統
醫學上一般將人原生肢體與神經中樞的信息交流通路分為上行通路和下行通路兩條。為控制肢體完成預期運動，脊髓和大腦皮層等神經中樞通過下行神經通路上的運動神經元將控制信息傳達到肢體的目標肌肉。而上行通路通常負責將肢體所處的環境信息和肢體本身的信息傳遞給神經中樞，肢體表層和深層具有能將溫度、接觸面紋理、粗糙度等外部環境信息和關節位置、肌肉狀態等肢體內部信息轉化為化學信號和電信號的感受器，感受器感知到的信息由感覺神經通路傳遞給神經中樞。
為了使假肢最大程度地還原人類原生肢體的功能，假肢通常也期望包含上行通路和下行通路。如圖 1 所示，下行通路通常也叫前饋控制通路，在這個通路上，假肢系統通過表面肌電圖（surface electromyography，sEMG）信號、腦電圖（electroencephalography，EEG）信號等方式解碼假肢使用者的意圖，根據使用者的意圖控制假肢相應的關節，目前大部分非裝飾性的假肢系統都包含這個通路[3]。上行通路也叫感知反饋通路，即感知假肢使用環境及假肢自身狀態并將所感知的信息反饋給使用者的通路，通常包含感覺信號的采集與編碼、信號解碼與人體刺激反饋幾個部分[4]。
圖1
假肢系統示意圖
Figure1.
Diagram of artificial prosthetic system
在假肢系統上加入感知反饋系統有很多優點，如能增加患者對假肢的接受度，使用者通常會對沒有感知反饋（僅有視覺反饋）的假肢產生很強的抵觸情緒；另外，使用帶有感知反饋系統的假肢可以減輕使用者的幻肢痛，降低肌肉疲勞，在長時間使用后部分使用者甚至認為假肢就是自己身體的一部分；在對假肢進行控制方面，增加感知反饋系統相當于將開環控制轉化為閉環控制，這樣可以顯著增加使用者對假肢的使用效率，提高抓握、防滑等動作的成功率。基于此，大部分假肢需求者都希望假肢上能加入感知反饋系統以便更靈活自然地使用假肢[5-7]。
2 感知信號識別方式
人原生肢體可感知的信息主要可分為兩類：其一是肢體內部的信息，主要包括關節的位置和肌肉發力的大小；其二是肢體與環境的交互信息，主要通過皮膚上的感受器識別。而人體皮膚表面分布著廣泛復雜的感受器，主要用于識別觸覺信號，包括紋理、溫度、應變、震動、滑動等。假肢系統識別以上信號的方式主要通過人造傳感器將不同感知信號轉換為電信號，再將電信號編碼后識別以應用。在傳感器的研究中，主要有兩種方法，一種是將其他領域較為成熟的傳感器作適當的改良后遷移使用在假肢上，下文稱其為“遷移”法；另一種是根據假肢的特性創造全新的傳感器，下文稱其為“創造”法。假肢常見的感知傳感器中，力與位置的檢測借助機器人相關領域工業技術的發展，目前已經相對成熟，當前假肢感知中的檢測難點與研究熱點主要在于觸覺信號的檢測，即觸覺傳感器在假肢中的應用。觸覺傳感器通常放置于假手指尖等部位，用于感知壓力、應變、紋理等信息，從傳感器原理上主要分為電阻式、電容式、光電式、壓電式等[8-9]。本文將以傳感器原理作為分類，闡述分析常用傳感器的研究進展。
2.1 電阻式觸覺傳感器
電阻式傳感器主要分為應變式和壓阻式兩種，當在傳感器上施加應變或壓力時，傳感器內部變形會造成傳感器電阻變化，通過測量電阻變化可以獲得外界應變和壓力的信息。應變式的傳感器主要由安裝在背襯材料上的電阻箔構成，通常比較適合測量動態應變，使用在假肢上的應變傳感器通常需要具備體積小、重量輕等特性。Yin等[10]研發出一種柔性、仿生的電阻微流體剪切力傳感器，該傳感器通過嵌在聚二甲基硅氧烷中的液態金屬組成，能模擬指尖檢測剪切力和震動等信息。壓阻式的傳感器主要由金屬和半導體制成，Stassi等[11]已經成功將壓阻式傳感器集成到微機電系統和印制電路板中，使之易于在穿戴式設備和假肢上使用，但是該傳感器除制作成本高外，還比較容易斷裂，為了解決此問題，他們將壓敏材料嵌入柔性聚合物中取得了較好的柔韌度，但同時使傳感器損失了部分精度。以上兩種傳感器均為使用“創造”法產生的傳感器，其共有的特點是仿生、適用于假肢，但同時制造成本高、精度也有待提高。
2.2 電容式觸覺傳感器
電容式觸覺傳感器通常由兩個平行的導電層組成，中間以介電材料隔離，當傳感器受到壓力時，導電層之間的距離減小，同時介電材料變形，使得傳感器電容變化。電容式傳感器對微小變化力表現靈敏，并且受溫度影響小，通常具有較低的功耗。Totaro等[12]將導電織物和彈性層組合為可拉伸的電容式傳感器，并將其應用于關節的角度和運動檢測。Wang等[13]使用“遷移”法將現有的電容式傳感器安裝在假手上，成功檢測到了 0～3 N 的壓力變化，該實驗所測試的傳感器精度高、穩定性好，但是體積較大，同時檢測范圍受限，要想在假肢上推廣使用還需要進一步改進。
2.3 光電式觸覺傳感器
光電式傳感器主要由傳感器內部光源發出光，經外界物體表面反射后，被傳感器內部的光學檢測器采集編碼。光電式傳感器在假肢上使用時可檢測到滑動和紋理等信號，同其他傳感器相比，具有不受電磁干擾的優勢。Sani等[14]已成功將光電傳感器安裝在假手手指末端用于檢測所抓物體的粗糙度和是否滑動等信息，較好地解決了假手抓取東西時由于握力判斷誤差容易滑動的問題，這是典型的“遷移”法。但另一方面，光電式傳感器通常體積較大并且不易和柔軟的材料相集成，限制了光電式傳感器的使用范圍。
2.4 壓電式觸覺傳感器
壓電式觸覺傳感器通常由具有壓電效應的材料組成，例如聚偏二氟乙烯。當材料所受的外界壓力變化時，壓電材料內部的電荷分布也會產生改變，通過測量由電荷分布變化產生的電壓可求出傳感器所受的力。壓電式的觸覺傳感器是少數不需要外界供電的傳感器，通常具有高靈敏度、易于檢測受力變化等優勢，它的缺點是不易于檢測靜止的力。Marino等[15]最近研發出一種基于氧化鋅（ZnO）的納米壓電式傳感器，該傳感器由“創造”法產生，具有高度的靈活性和生物相容性，研究者已經成功將這種納米傳感器應用于可穿戴設備中，但是單獨將該傳感器應用于假肢試驗上時，初步試驗效果并不理想，還需要進一步研究和改進。
2.5 組合式觸覺傳感器
除了使用單一原理組成的傳感器外，還有研究者結合多種傳感器的優勢，形成組合式的傳感器，以便檢測多種感知信息，形成電子皮膚。美國斯坦福大學的 Wang等[16]成功集成了溫度、濕度、壓力和震動等多種信息檢測的傳感器，它們將傳感器集成在柔性材料上形成電子皮膚，這樣的電子皮膚具有和人體皮膚比較接近的特性。此類組合式的傳感器通常由“創造”法產生，但同時會結合“遷移”法的優勢，使用已經在“遷移”法中驗證的效果較好的傳感器所使用的原理和方法進行研發。
通過對感知信號的識別總結分析可以看出，采用“遷移”法在假肢上配備的傳感器，由于傳感器本身技術較為成熟，一般具有精度高、穩定性好等優勢，但同時常常會有體積大、非仿生、非柔性等詬病，較難完全融入到假肢系統中。相較而言，通過“創造”法研發的傳感器，雖然技術成熟度不夠，精度和穩定性等均有所欠缺，但是和假肢的集成度高，在假肢上使用也更自然方便，尤其是近年來出現的電子皮膚由于具有仿人體皮膚的特性，相較于其他單一的傳感器，其具有仿生、柔性和可檢測多種信號等眾多優勢，是假肢感知信號識別傳感器研究中的熱點和趨勢。
3 感知反饋方式
感知反饋系統主要指將感知傳感器采集編碼的信號反饋到控制者，控制者可以根據反饋回來的信號調整控制決策，使假肢使用更加靈活自然。感知反饋系統以反饋信號接收終端的不同可分為兩類，分別是反饋終端為假肢本身和反饋終端為使用者人體。為使假肢更加逼近原生肢體的感覺，同時減少截肢患者幻肢痛，增加使用者本體感，一般希望感知系統能反饋到人體。反饋到人體上的方式主要有力反饋、震動反饋、電刺激反饋等，本文將分別總結分析不同感知反饋方式的特性。
3.1 力刺激反饋
力反饋是在大臂或者小臂上加裝電機、連桿等機構令使用者感受到不同壓力或拉力的一種感知反饋方式。一般而言，加上力反饋后假肢的抓取成功率和抓取效率比不加力反饋時會提升很多。Battaglia等[17]研制了一款繃帶式壓力反饋裝置，該裝置使用一個微型電機連接一個繃帶，將繃帶綁在截肢患者的殘肢上，通過繃帶的繃緊和放松給予不同的信息反饋，成功將假肢的開合狀態反饋給使用者。雖然力反饋易于實現，但是通常力反饋的裝置體積和重量都比較大，不利于穿戴。
3.2 電刺激反饋
電刺激通常以電極安放位置不同分為侵入式電刺激和非侵入式電刺激兩種方式。侵入式電刺激將刺激電極植入人體內部進行反饋刺激，而非侵入式電刺激直接將刺激電極配置于使用者皮膚表面進行刺激。
3.2.1 侵入式電刺激反饋
侵入式電刺激反饋系統通過手術在受試者身體某個部位植入刺激電極，使植入的電極和體內神經直接或間接連接起來，以特定模式的電流通過植入的電極向體內神經傳輸感知信息。侵入式電刺激反饋系統由于具有高仿生的特性，理論上可以產生任何同正常人一樣的知覺反饋，但是受神經解碼知識和手術風險等限制，目前僅有少數研究者和研究機構在開展相關研究。
侵入式電刺激反饋系統根據所刺激的神經和方式不同可分為針對性神經刺激（靶向刺激）、周圍神經刺激和中樞神經刺激三類[8]，由于周圍神經的刺激更易設施并且手術風險更小，所以大部分研究者選擇周圍神經進行侵入式感知反饋試驗。Schiefer等[4]在兩名截肢患者上臂周圍神經植入袖套式電極，在采集受試者所能承受的最大電刺激電流強度后，使假肢的抓握力和位置參數分別正比于刺激電流強度便于給予受試者刺激反饋，然后該研究進行了抓取不同尺寸的正方體木塊和尋找磁鐵兩個試驗，并與沒有感知反饋（僅有視覺反饋）的假肢作對比，發現侵入式電刺激反饋與僅有視覺反饋的表現幾乎相當，造成這樣的原因可能是在同時有視覺反饋和電刺激反饋的試驗中，受試者更傾向于使用視覺反饋而忽略電刺激反饋，由于該試驗受試者并沒有進行長期大量的適應性訓練，所以不能排除由于受試者對系統的使用熟練度不足因而引入的試驗誤差。
3.2.2 非侵入式電刺激反饋
非侵入式電刺激系統將刺激電極配置于受試者身體表面，通過電極向受試者施加特定的電刺激以形成感知反饋。非侵入式電刺激反饋系統通過調節反饋電流的波形、幅值、頻率和占空比等使受試者產生不同的感覺（灼燒感、疼痛感、酥麻感、癢感等），受試者經過一定周期的訓練將不同的感覺和相應的假肢動作映射起來作為反饋方式。相比于侵入式電刺激反饋方式，非侵入式電刺激反饋雖然不如侵入式電刺激反饋直觀和原生，但是這種方式不會對受試者造成創傷，更易于開展相關試驗，所以國內外有眾多研究者對非侵入式電刺激反饋進行了相關研究，其部分統計分析如表1 所示。
表1
非侵入式電刺激統計對比
Table1.
Statistical comparison of non-invasive electrical stimulation
Isakovi?等[18]在 3 名截肢患者身上使用陣列式電極進行非侵入電刺激反饋試驗，分別抓取 4 個不同尺寸的物體，試驗結果發現，使用非侵入式電刺激反饋系統的假肢抓取成功率明顯比沒有感知反饋系統的假肢高，但是該試驗分類較少，并且沒有給出具體的訓練時間。為了測試多分類情形下非侵入式電刺激的效果，Arakeri等[19]通過調幅區分 27 個不同大小、重量物體的抓握反饋效果，8 個人經過 5 d 訓練后，識別成功率為 49.2% ± 10.6%，該試驗同時發現訓練時間越長，反饋效果越好。為了測試是否能在健全者身上尋找非侵入式電刺激的先驗參數，D'alonzo等[20]在健全者手掌上設置 18 個刺激點，然后尋找手臂上相似刺激的點，發現其中 16 個點可以通過刺激手臂獲得和手掌上相同的刺激體驗，但是將這 16 個點在截肢患者身上試驗時發現并沒有原生肢體特有的感覺，該試驗說明非侵入式電刺激可能無法達到侵入式電刺激相同的刺激效果。?trbac等[21]通過電極陣列編碼反饋被抓物體形狀和握力等信息，在 10 名健全者和6 名截肢患者身上進行測試，發現當使用假肢分別抓取 6 個不同形狀類別的物體和4 個不同體積類別的物體時，抓取成功率大于 90%，但是當要區分的形狀類別大于 6 個，體積類別大于 4 個時，抓取成功率將顯著下降。在和其他非侵入式的感知反饋對比方面，Schweisfurth等[3]在 11 名健全者和1 名截肢患者身上分別進行力反饋和電刺激反饋試驗，當使用不同的刺激參數區分 8 種不同的假手握力時，電刺激反饋方式的準確率和效率均比力反饋方式好。
非侵入式電刺激反饋除了對普通皮膚區域進行刺激，還有一種特別的方式，某些截肢患者會在截肢后的殘肢上形成手指的幻影區，Chai等[22]通過試驗發現，如果在患者殘肢的手指幻影區布置電刺激反饋，患者的前期訓練效率會比在其他區域布置電極高，但是經過長期訓練后，在其他區域執行電刺激的抓取成功率和在幻影區域的抓取成功率相同，部分證明了只要經過充足時間的訓練，非侵入式電刺激的部位對反饋效果影響并不是特別大。
雖然非侵入式電刺激有眾多優勢，但是也有一個比較難解決的問題，電刺激調制信號的頻段與 sEMG 信號的有用信息頻段通常存在交疊，針對使用 sEMG 信號作為前饋控制通路信號的假肢系統，電刺激信號會對 sEMG 信號形成干擾，基于頻率分離的數字濾波器難以在濾除電刺激干擾噪聲的同時保留 sEMG 信號的有用信息。另外，由于人體環境的復雜性，電刺激信號通過人體后再采集時會產生畸變，難以從電刺激器輸出的原始信號中獲取有效的噪聲先驗信息，這使得基于先驗信息的濾波器通常無法應用。針對電刺激對 sEMG 信號的干擾問題，哈爾濱工業大學的姜力等[23]提出了一種基于最小均方 （least mean square，LMS） 原理的自適應濾波器，采用一個 sEMG 信號傳感器作為參考電極，放置在與動作無關的部位或 sEMG 信號微弱的部位作為參考信號，其他 sEMG 信號傳感器作為測量電極，放置在與動作相關的部位，采集由人體動作產生的 sEMG 信號，將兩組信號通過有限沖激響應（finite impulse response，FIR）濾波器，并采用梯度下降法求取 FIR 參數，得到較好的濾波效果。
3.3 震動刺激反饋
震動刺激反饋是將電機等震動器件固定在受試者小臂或者大臂上，以不同的震動頻率或強度給予穿戴者不同的感知反饋方式。Nabeel等[24]在 6 名健全者和1 名截肢患者身上采用假手配合微型振動馬達進行震動刺激反饋試驗，在動作分類較少時抓取成功率和抓取效率均較高，不過試驗表明，震動刺激反饋雖然簡單易行，但人類對不同等級的震動分辨率似乎不太高，同時受試者通常需要經過大量訓練熟悉后才能顯著提高假肢使用效率。Raveh等[25]讓 43 名身體健全、年齡范圍為（26 ± 6.6）歲的受試者經過短暫訓練后，以右手 sEMG 信號控制假手并給予震動刺激反饋判斷是否抓牢物體，同時左手進行虛擬汽車越野的電腦游戲，讓左右手進行雙重任務，并用眼動儀監視受試者視覺注意力，記錄完成每項任務的時間和游戲中虛擬汽車越野的時間。試驗發現，在有震動刺激反饋和沒有震動刺激反饋兩種情況之間，受試者的視覺注意力或表現時間的差異沒有統計學意義，表明在沒有大量訓練的情況下，簡單的震動刺激反饋并不能使視覺注意力減小。Clemente等[26]通過在 sEMG 信號控制的假手上引入震動刺激反饋，讓 5 名受試者區分有無抓取到物體，經一個月訓練使用后，受試者們表示震動刺激反饋顯著改善了假肢的使用體驗。
3.4 其他反饋
除了力刺激反饋、電刺激反饋和震動刺激反饋等方式外，學者們還研究了諸如聲音反饋、溫度刺激反饋、增強現實反饋等其他感知反饋方式。Markovic等[27]利用聲音和增強現實作為感知反饋呈現方式進行試驗，發現在簡單任務下受試者使用假肢完成任務的效率和成功率與沒有感知反饋（僅有視覺反饋）的情況幾乎相同，不過在執行相對復雜的任務時，感知反饋系統能提高假肢抓取成功率，但抓取效率會有所下降。Ueda等[28]通過溫度傳感器檢測假手指尖的溫度，然后通過貼在大臂上的加熱片將溫度反饋給受試者，最終能在幾秒的延時內將 5 檔不同的溫度成功反饋給受試者。
綜上所述，感知反饋方式大致可以分為兩類，一是通過訓練使得假肢使用者建立人體皮膚、肌肉等固有的知覺系統與需要反饋的信息間映射關系的感知反饋方式；二是以電刺激為主的以還原或模擬人體原始感覺神經通路為目的的感知反饋方式。這兩種方式中，前者通常需要使用者不斷訓練強化這種映射，訓練時間一般比后者長，而且可反饋的信息量也因具體刺激方法的不同而差異較大，后者由于訓練時間較短，更易于被使用者接受，而非侵入式電刺激反饋方式兼具兩者的優勢，是研究中的熱點和趨勢。
4 總結與展望
雖然目前假肢市場需求量巨大，但是還沒有成熟的帶感知反饋系統的商用假肢，為總結相關研究情況，針對感知信號的識別方式，本文主要以電阻、電容、光電、壓電等不同的原理作為分類標準，總結分析感知傳感器的研究進展，并比較它們在假肢上的使用情況。
感知信號反饋方面，根據不同的刺激方式，本文主要從力刺激、侵入式與非侵入式電刺激、震動刺激等加以分析總結。從研究中可以看出，假肢中的感知及其反饋技術還存在如下問題：① 工業上力、力矩和位置信息的采集技術已經比較成熟，但是相關傳感器的尺寸、重量和精度還無法滿足假肢使用過程中便攜、精準的需求；② 剪切力、滑動、紋理、粗糙度等觸覺傳感器的研制雖然有部分突破，但技術并不成熟，還無法穩定地在假肢系統上應用；③ 侵入式刺激反饋方面，雖然刺激相對精準，但是受生物神經解碼技術、手術風險和倫理等限制，相關研究發展緩慢；④ 非侵入式刺激反饋中，力反饋的分辨率小、設備笨重，不太適用于假肢，震動刺激反饋、溫度刺激反饋和聲音反饋等雖然原理簡單，易于開展試驗，但是分辨率小、延時大，訓練難度大；⑤ 感知反饋中，目前主要以簡單輕便并且易于設置并實施的非侵入式電刺激反饋為研究熱點，但是目前非侵入式電刺激反饋中高精度分類數目依然小于 10 個，還遠小于人類原生肢體所能分辨的精度和數量。
假肢的感知及其反饋技術的研究已經發展很多年，但是依然有許多問題還未解決。未來的研究中，除了以上總結分析的問題需要改善外，為了逼近人體原生肢體的感知能力，仿生、高分辨率、小尺寸并且可集成在柔性材料上的觸覺傳感器仍然會是研究中的熱點和難點。在感知反饋技術方面還需要探索不同的人體反饋刺激方式，以提高反饋信息的可分數量和分辨率。另外，怎樣增加反饋方法的泛化能力、如何使反饋設備微型化與通用化、怎樣減小使用者訓練和適應時間等也是假肢的感知及其反饋技術研究中亟待解決的問題。
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
引言
當前我國眾多殘疾人士中超過三分之一為四肢殘疾，其中多數屬于截肢患者[1]。假肢是幫助截肢患者獲得失去肢體部分功能的重要工具，通常分為上肢假肢和下肢假肢，上肢假肢通常代償手或手臂的功能，下肢假肢通常能幫助下肢截肢患者獲得部分失去的行走能力。大部分傳統假肢僅具有前向控制功能，在使用時需要經過長期大量的訓練和適應，同時使用者需要時刻小心盯著自己的假肢，造成使用假肢時無法進行其他活動、過度集中注意力容易疲憊等困擾。在假肢上加入感知功能，模仿人類原生的觸覺、溫度覺、痛覺等感知能力是解決上述困擾的方法[2]。
目前，國內外已有很多學者對假肢的感知反饋系統進行了研究，也取得了一些很好的成效，但是很少有文章對假肢的感知反饋系統進行總結。基于此，本文首先介紹假肢系統，然后分別從感知信號識別方式和人體的反饋刺激方式兩方面總結分析假肢感知反饋系統的發展與現狀，然后對其發展趨勢進行分析與展望，以期在相關研究人員進行假肢的感知及其反饋技術研究時能給予一定的借鑒和參考。
1 假肢系統
醫學上一般將人原生肢體與神經中樞的信息交流通路分為上行通路和下行通路兩條。為控制肢體完成預期運動，脊髓和大腦皮層等神經中樞通過下行神經通路上的運動神經元將控制信息傳達到肢體的目標肌肉。而上行通路通常負責將肢體所處的環境信息和肢體本身的信息傳遞給神經中樞，肢體表層和深層具有能將溫度、接觸面紋理、粗糙度等外部環境信息和關節位置、肌肉狀態等肢體內部信息轉化為化學信號和電信號的感受器，感受器感知到的信息由感覺神經通路傳遞給神經中樞。
為了使假肢最大程度地還原人類原生肢體的功能，假肢通常也期望包含上行通路和下行通路。如圖 1 所示，下行通路通常也叫前饋控制通路，在這個通路上，假肢系統通過表面肌電圖（surface electromyography，sEMG）信號、腦電圖（electroencephalography，EEG）信號等方式解碼假肢使用者的意圖，根據使用者的意圖控制假肢相應的關節，目前大部分非裝飾性的假肢系統都包含這個通路[3]。上行通路也叫感知反饋通路，即感知假肢使用環境及假肢自身狀態并將所感知的信息反饋給使用者的通路，通常包含感覺信號的采集與編碼、信號解碼與人體刺激反饋幾個部分[4]。
圖1
假肢系統示意圖
Figure1.
Diagram of artificial prosthetic system
在假肢系統上加入感知反饋系統有很多優點，如能增加患者對假肢的接受度，使用者通常會對沒有感知反饋（僅有視覺反饋）的假肢產生很強的抵觸情緒；另外，使用帶有感知反饋系統的假肢可以減輕使用者的幻肢痛，降低肌肉疲勞，在長時間使用后部分使用者甚至認為假肢就是自己身體的一部分；在對假肢進行控制方面，增加感知反饋系統相當于將開環控制轉化為閉環控制，這樣可以顯著增加使用者對假肢的使用效率，提高抓握、防滑等動作的成功率。基于此，大部分假肢需求者都希望假肢上能加入感知反饋系統以便更靈活自然地使用假肢[5-7]。
2 感知信號識別方式
人原生肢體可感知的信息主要可分為兩類：其一是肢體內部的信息，主要包括關節的位置和肌肉發力的大小；其二是肢體與環境的交互信息，主要通過皮膚上的感受器識別。而人體皮膚表面分布著廣泛復雜的感受器，主要用于識別觸覺信號，包括紋理、溫度、應變、震動、滑動等。假肢系統識別以上信號的方式主要通過人造傳感器將不同感知信號轉換為電信號，再將電信號編碼后識別以應用。在傳感器的研究中，主要有兩種方法，一種是將其他領域較為成熟的傳感器作適當的改良后遷移使用在假肢上，下文稱其為“遷移”法；另一種是根據假肢的特性創造全新的傳感器，下文稱其為“創造”法。假肢常見的感知傳感器中，力與位置的檢測借助機器人相關領域工業技術的發展，目前已經相對成熟，當前假肢感知中的檢測難點與研究熱點主要在于觸覺信號的檢測，即觸覺傳感器在假肢中的應用。觸覺傳感器通常放置于假手指尖等部位，用于感知壓力、應變、紋理等信息，從傳感器原理上主要分為電阻式、電容式、光電式、壓電式等[8-9]。本文將以傳感器原理作為分類，闡述分析常用傳感器的研究進展。
2.1 電阻式觸覺傳感器
電阻式傳感器主要分為應變式和壓阻式兩種，當在傳感器上施加應變或壓力時，傳感器內部變形會造成傳感器電阻變化，通過測量電阻變化可以獲得外界應變和壓力的信息。應變式的傳感器主要由安裝在背襯材料上的電阻箔構成，通常比較適合測量動態應變，使用在假肢上的應變傳感器通常需要具備體積小、重量輕等特性。Yin等[10]研發出一種柔性、仿生的電阻微流體剪切力傳感器，該傳感器通過嵌在聚二甲基硅氧烷中的液態金屬組成，能模擬指尖檢測剪切力和震動等信息。壓阻式的傳感器主要由金屬和半導體制成，Stassi等[11]已經成功將壓阻式傳感器集成到微機電系統和印制電路板中，使之易于在穿戴式設備和假肢上使用，但是該傳感器除制作成本高外，還比較容易斷裂，為了解決此問題，他們將壓敏材料嵌入柔性聚合物中取得了較好的柔韌度，但同時使傳感器損失了部分精度。以上兩種傳感器均為使用“創造”法產生的傳感器，其共有的特點是仿生、適用于假肢，但同時制造成本高、精度也有待提高。
2.2 電容式觸覺傳感器
電容式觸覺傳感器通常由兩個平行的導電層組成，中間以介電材料隔離，當傳感器受到壓力時，導電層之間的距離減小，同時介電材料變形，使得傳感器電容變化。電容式傳感器對微小變化力表現靈敏，并且受溫度影響小，通常具有較低的功耗。Totaro等[12]將導電織物和彈性層組合為可拉伸的電容式傳感器，并將其應用于關節的角度和運動檢測。Wang等[13]使用“遷移”法將現有的電容式傳感器安裝在假手上，成功檢測到了 0～3 N 的壓力變化，該實驗所測試的傳感器精度高、穩定性好，但是體積較大，同時檢測范圍受限，要想在假肢上推廣使用還需要進一步改進。
2.3 光電式觸覺傳感器
光電式傳感器主要由傳感器內部光源發出光，經外界物體表面反射后，被傳感器內部的光學檢測器采集編碼。光電式傳感器在假肢上使用時可檢測到滑動和紋理等信號，同其他傳感器相比，具有不受電磁干擾的優勢。Sani等[14]已成功將光電傳感器安裝在假手手指末端用于檢測所抓物體的粗糙度和是否滑動等信息，較好地解決了假手抓取東西時由于握力判斷誤差容易滑動的問題，這是典型的“遷移”法。但另一方面，光電式傳感器通常體積較大并且不易和柔軟的材料相集成，限制了光電式傳感器的使用范圍。
2.4 壓電式觸覺傳感器
壓電式觸覺傳感器通常由具有壓電效應的材料組成，例如聚偏二氟乙烯。當材料所受的外界壓力變化時，壓電材料內部的電荷分布也會產生改變，通過測量由電荷分布變化產生的電壓可求出傳感器所受的力。壓電式的觸覺傳感器是少數不需要外界供電的傳感器，通常具有高靈敏度、易于檢測受力變化等優勢，它的缺點是不易于檢測靜止的力。Marino等[15]最近研發出一種基于氧化鋅（ZnO）的納米壓電式傳感器，該傳感器由“創造”法產生，具有高度的靈活性和生物相容性，研究者已經成功將這種納米傳感器應用于可穿戴設備中，但是單獨將該傳感器應用于假肢試驗上時，初步試驗效果并不理想，還需要進一步研究和改進。
2.5 組合式觸覺傳感器
除了使用單一原理組成的傳感器外，還有研究者結合多種傳感器的優勢，形成組合式的傳感器，以便檢測多種感知信息，形成電子皮膚。美國斯坦福大學的 Wang等[16]成功集成了溫度、濕度、壓力和震動等多種信息檢測的傳感器，它們將傳感器集成在柔性材料上形成電子皮膚，這樣的電子皮膚具有和人體皮膚比較接近的特性。此類組合式的傳感器通常由“創造”法產生，但同時會結合“遷移”法的優勢，使用已經在“遷移”法中驗證的效果較好的傳感器所使用的原理和方法進行研發。
通過對感知信號的識別總結分析可以看出，采用“遷移”法在假肢上配備的傳感器，由于傳感器本身技術較為成熟，一般具有精度高、穩定性好等優勢，但同時常常會有體積大、非仿生、非柔性等詬病，較難完全融入到假肢系統中。相較而言，通過“創造”法研發的傳感器，雖然技術成熟度不夠，精度和穩定性等均有所欠缺，但是和假肢的集成度高，在假肢上使用也更自然方便，尤其是近年來出現的電子皮膚由于具有仿人體皮膚的特性，相較于其他單一的傳感器，其具有仿生、柔性和可檢測多種信號等眾多優勢，是假肢感知信號識別傳感器研究中的熱點和趨勢。
3 感知反饋方式
感知反饋系統主要指將感知傳感器采集編碼的信號反饋到控制者，控制者可以根據反饋回來的信號調整控制決策，使假肢使用更加靈活自然。感知反饋系統以反饋信號接收終端的不同可分為兩類，分別是反饋終端為假肢本身和反饋終端為使用者人體。為使假肢更加逼近原生肢體的感覺，同時減少截肢患者幻肢痛，增加使用者本體感，一般希望感知系統能反饋到人體。反饋到人體上的方式主要有力反饋、震動反饋、電刺激反饋等，本文將分別總結分析不同感知反饋方式的特性。
3.1 力刺激反饋
力反饋是在大臂或者小臂上加裝電機、連桿等機構令使用者感受到不同壓力或拉力的一種感知反饋方式。一般而言，加上力反饋后假肢的抓取成功率和抓取效率比不加力反饋時會提升很多。Battaglia等[17]研制了一款繃帶式壓力反饋裝置，該裝置使用一個微型電機連接一個繃帶，將繃帶綁在截肢患者的殘肢上，通過繃帶的繃緊和放松給予不同的信息反饋，成功將假肢的開合狀態反饋給使用者。雖然力反饋易于實現，但是通常力反饋的裝置體積和重量都比較大，不利于穿戴。
3.2 電刺激反饋
電刺激通常以電極安放位置不同分為侵入式電刺激和非侵入式電刺激兩種方式。侵入式電刺激將刺激電極植入人體內部進行反饋刺激，而非侵入式電刺激直接將刺激電極配置于使用者皮膚表面進行刺激。
3.2.1 侵入式電刺激反饋
侵入式電刺激反饋系統通過手術在受試者身體某個部位植入刺激電極，使植入的電極和體內神經直接或間接連接起來，以特定模式的電流通過植入的電極向體內神經傳輸感知信息。侵入式電刺激反饋系統由于具有高仿生的特性，理論上可以產生任何同正常人一樣的知覺反饋，但是受神經解碼知識和手術風險等限制，目前僅有少數研究者和研究機構在開展相關研究。
侵入式電刺激反饋系統根據所刺激的神經和方式不同可分為針對性神經刺激（靶向刺激）、周圍神經刺激和中樞神經刺激三類[8]，由于周圍神經的刺激更易設施并且手術風險更小，所以大部分研究者選擇周圍神經進行侵入式感知反饋試驗。Schiefer等[4]在兩名截肢患者上臂周圍神經植入袖套式電極，在采集受試者所能承受的最大電刺激電流強度后，使假肢的抓握力和位置參數分別正比于刺激電流強度便于給予受試者刺激反饋，然后該研究進行了抓取不同尺寸的正方體木塊和尋找磁鐵兩個試驗，并與沒有感知反饋（僅有視覺反饋）的假肢作對比，發現侵入式電刺激反饋與僅有視覺反饋的表現幾乎相當，造成這樣的原因可能是在同時有視覺反饋和電刺激反饋的試驗中，受試者更傾向于使用視覺反饋而忽略電刺激反饋，由于該試驗受試者并沒有進行長期大量的適應性訓練，所以不能排除由于受試者對系統的使用熟練度不足因而引入的試驗誤差。
3.2.2 非侵入式電刺激反饋
非侵入式電刺激系統將刺激電極配置于受試者身體表面，通過電極向受試者施加特定的電刺激以形成感知反饋。非侵入式電刺激反饋系統通過調節反饋電流的波形、幅值、頻率和占空比等使受試者產生不同的感覺（灼燒感、疼痛感、酥麻感、癢感等），受試者經過一定周期的訓練將不同的感覺和相應的假肢動作映射起來作為反饋方式。相比于侵入式電刺激反饋方式，非侵入式電刺激反饋雖然不如侵入式電刺激反饋直觀和原生，但是這種方式不會對受試者造成創傷，更易于開展相關試驗，所以國內外有眾多研究者對非侵入式電刺激反饋進行了相關研究，其部分統計分析如表1 所示。
表1
非侵入式電刺激統計對比
Table1.
Statistical comparison of non-invasive electrical stimulation
Isakovi?等[18]在 3 名截肢患者身上使用陣列式電極進行非侵入電刺激反饋試驗，分別抓取 4 個不同尺寸的物體，試驗結果發現，使用非侵入式電刺激反饋系統的假肢抓取成功率明顯比沒有感知反饋系統的假肢高，但是該試驗分類較少，并且沒有給出具體的訓練時間。為了測試多分類情形下非侵入式電刺激的效果，Arakeri等[19]通過調幅區分 27 個不同大小、重量物體的抓握反饋效果，8 個人經過 5 d 訓練后，識別成功率為 49.2% ± 10.6%，該試驗同時發現訓練時間越長，反饋效果越好。為了測試是否能在健全者身上尋找非侵入式電刺激的先驗參數，D'alonzo等[20]在健全者手掌上設置 18 個刺激點，然后尋找手臂上相似刺激的點，發現其中 16 個點可以通過刺激手臂獲得和手掌上相同的刺激體驗，但是將這 16 個點在截肢患者身上試驗時發現并沒有原生肢體特有的感覺，該試驗說明非侵入式電刺激可能無法達到侵入式電刺激相同的刺激效果。?trbac等[21]通過電極陣列編碼反饋被抓物體形狀和握力等信息，在 10 名健全者和6 名截肢患者身上進行測試，發現當使用假肢分別抓取 6 個不同形狀類別的物體和4 個不同體積類別的物體時，抓取成功率大于 90%，但是當要區分的形狀類別大于 6 個，體積類別大于 4 個時，抓取成功率將顯著下降。在和其他非侵入式的感知反饋對比方面，Schweisfurth等[3]在 11 名健全者和1 名截肢患者身上分別進行力反饋和電刺激反饋試驗，當使用不同的刺激參數區分 8 種不同的假手握力時，電刺激反饋方式的準確率和效率均比力反饋方式好。
非侵入式電刺激反饋除了對普通皮膚區域進行刺激，還有一種特別的方式，某些截肢患者會在截肢后的殘肢上形成手指的幻影區，Chai等[22]通過試驗發現，如果在患者殘肢的手指幻影區布置電刺激反饋，患者的前期訓練效率會比在其他區域布置電極高，但是經過長期訓練后，在其他區域執行電刺激的抓取成功率和在幻影區域的抓取成功率相同，部分證明了只要經過充足時間的訓練，非侵入式電刺激的部位對反饋效果影響并不是特別大。
雖然非侵入式電刺激有眾多優勢，但是也有一個比較難解決的問題，電刺激調制信號的頻段與 sEMG 信號的有用信息頻段通常存在交疊，針對使用 sEMG 信號作為前饋控制通路信號的假肢系統，電刺激信號會對 sEMG 信號形成干擾，基于頻率分離的數字濾波器難以在濾除電刺激干擾噪聲的同時保留 sEMG 信號的有用信息。另外，由于人體環境的復雜性，電刺激信號通過人體后再采集時會產生畸變，難以從電刺激器輸出的原始信號中獲取有效的噪聲先驗信息，這使得基于先驗信息的濾波器通常無法應用。針對電刺激對 sEMG 信號的干擾問題，哈爾濱工業大學的姜力等[23]提出了一種基于最小均方 （least mean square，LMS） 原理的自適應濾波器，采用一個 sEMG 信號傳感器作為參考電極，放置在與動作無關的部位或 sEMG 信號微弱的部位作為參考信號，其他 sEMG 信號傳感器作為測量電極，放置在與動作相關的部位，采集由人體動作產生的 sEMG 信號，將兩組信號通過有限沖激響應（finite impulse response，FIR）濾波器，并采用梯度下降法求取 FIR 參數，得到較好的濾波效果。
3.3 震動刺激反饋
震動刺激反饋是將電機等震動器件固定在受試者小臂或者大臂上，以不同的震動頻率或強度給予穿戴者不同的感知反饋方式。Nabeel等[24]在 6 名健全者和1 名截肢患者身上采用假手配合微型振動馬達進行震動刺激反饋試驗，在動作分類較少時抓取成功率和抓取效率均較高，不過試驗表明，震動刺激反饋雖然簡單易行，但人類對不同等級的震動分辨率似乎不太高，同時受試者通常需要經過大量訓練熟悉后才能顯著提高假肢使用效率。Raveh等[25]讓 43 名身體健全、年齡范圍為（26 ± 6.6）歲的受試者經過短暫訓練后，以右手 sEMG 信號控制假手并給予震動刺激反饋判斷是否抓牢物體，同時左手進行虛擬汽車越野的電腦游戲，讓左右手進行雙重任務，并用眼動儀監視受試者視覺注意力，記錄完成每項任務的時間和游戲中虛擬汽車越野的時間。試驗發現，在有震動刺激反饋和沒有震動刺激反饋兩種情況之間，受試者的視覺注意力或表現時間的差異沒有統計學意義，表明在沒有大量訓練的情況下，簡單的震動刺激反饋并不能使視覺注意力減小。Clemente等[26]通過在 sEMG 信號控制的假手上引入震動刺激反饋，讓 5 名受試者區分有無抓取到物體，經一個月訓練使用后，受試者們表示震動刺激反饋顯著改善了假肢的使用體驗。
3.4 其他反饋
除了力刺激反饋、電刺激反饋和震動刺激反饋等方式外，學者們還研究了諸如聲音反饋、溫度刺激反饋、增強現實反饋等其他感知反饋方式。Markovic等[27]利用聲音和增強現實作為感知反饋呈現方式進行試驗，發現在簡單任務下受試者使用假肢完成任務的效率和成功率與沒有感知反饋（僅有視覺反饋）的情況幾乎相同，不過在執行相對復雜的任務時，感知反饋系統能提高假肢抓取成功率，但抓取效率會有所下降。Ueda等[28]通過溫度傳感器檢測假手指尖的溫度，然后通過貼在大臂上的加熱片將溫度反饋給受試者，最終能在幾秒的延時內將 5 檔不同的溫度成功反饋給受試者。
綜上所述，感知反饋方式大致可以分為兩類，一是通過訓練使得假肢使用者建立人體皮膚、肌肉等固有的知覺系統與需要反饋的信息間映射關系的感知反饋方式；二是以電刺激為主的以還原或模擬人體原始感覺神經通路為目的的感知反饋方式。這兩種方式中，前者通常需要使用者不斷訓練強化這種映射，訓練時間一般比后者長，而且可反饋的信息量也因具體刺激方法的不同而差異較大，后者由于訓練時間較短，更易于被使用者接受，而非侵入式電刺激反饋方式兼具兩者的優勢，是研究中的熱點和趨勢。
4 總結與展望
雖然目前假肢市場需求量巨大，但是還沒有成熟的帶感知反饋系統的商用假肢，為總結相關研究情況，針對感知信號的識別方式，本文主要以電阻、電容、光電、壓電等不同的原理作為分類標準，總結分析感知傳感器的研究進展，并比較它們在假肢上的使用情況。
感知信號反饋方面，根據不同的刺激方式，本文主要從力刺激、侵入式與非侵入式電刺激、震動刺激等加以分析總結。從研究中可以看出，假肢中的感知及其反饋技術還存在如下問題：① 工業上力、力矩和位置信息的采集技術已經比較成熟，但是相關傳感器的尺寸、重量和精度還無法滿足假肢使用過程中便攜、精準的需求；② 剪切力、滑動、紋理、粗糙度等觸覺傳感器的研制雖然有部分突破，但技術并不成熟，還無法穩定地在假肢系統上應用；③ 侵入式刺激反饋方面，雖然刺激相對精準，但是受生物神經解碼技術、手術風險和倫理等限制，相關研究發展緩慢；④ 非侵入式刺激反饋中，力反饋的分辨率小、設備笨重，不太適用于假肢，震動刺激反饋、溫度刺激反饋和聲音反饋等雖然原理簡單，易于開展試驗，但是分辨率小、延時大，訓練難度大；⑤ 感知反饋中，目前主要以簡單輕便并且易于設置并實施的非侵入式電刺激反饋為研究熱點，但是目前非侵入式電刺激反饋中高精度分類數目依然小于 10 個，還遠小于人類原生肢體所能分辨的精度和數量。
假肢的感知及其反饋技術的研究已經發展很多年，但是依然有許多問題還未解決。未來的研究中，除了以上總結分析的問題需要改善外，為了逼近人體原生肢體的感知能力，仿生、高分辨率、小尺寸并且可集成在柔性材料上的觸覺傳感器仍然會是研究中的熱點和難點。在感知反饋技術方面還需要探索不同的人體反饋刺激方式，以提高反饋信息的可分數量和分辨率。另外，怎樣增加反饋方法的泛化能力、如何使反饋設備微型化與通用化、怎樣減小使用者訓練和適應時間等也是假肢的感知及其反饋技術研究中亟待解決的問題。
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
