指尖觸覺障礙下精確抓握動力學特徵研究

《指尖觸覺障礙下精確抓握動力學特徵研究》是依託山東大學，由李可擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：指尖觸覺障礙下精確抓握動力學特徵研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：李可
• 依託單位：山東大學

中文摘要

手指尖觸覺是人體最靈敏的接觸感知方式，對手的精確運動控制至關重要。在各類慢性外周神經病和急性手外傷中，指尖觸覺極易受損並嚴重影響手功能。目前，對指尖觸覺障礙下手的感知運動融合研究已成為醫學界和工程界共同關心的熱點問題。本項目研究指尖觸覺障礙對拇指和食指配合的精確抓握能力的影響。項目將利用單、雙指局部麻醉技術模擬觸覺障礙，並運用靜態及擾動力學實驗記錄負載力平穩和周期性變化時，拇指及食指的空間三維力、力矩和指尖壓力中心點等動力學信號，分析其復現性、波動性和相位同步性特徵，並挖掘二指動力學系統的耦合關係和特徵參數的時間演變規律，從而闡明平衡和非平衡指尖觸覺障礙下二指動力學協調性的改變。本項目有助於深入認識快適應和慢適應兩種機械刺激感受器的作用、拇指和食指在抓握控制中的功能特性、以及觸覺主導下的後向反饋和前向預測控制機制等關鍵問題，在手功能的客觀量化評估和柔性機器手的理論研究方面都有重要意義。

結題摘要

手是人類最靈巧的運動器官，也是最敏銳的觸覺感知器官。手指尖的光滑皮膚區是觸覺最敏感部位，在抓握細小物體時起至關重要的作用。 然而，目前對指尖觸覺在精確抓握的作用機制，特別是在平衡和非平衡指尖觸覺靈敏度下精確抓握動力學時變非線性特徵還不清楚。本項目研究指尖觸覺障礙對精確抓握功能的影響，對認識手指間動態協調作用機制，明確不同類型的觸覺感受體在感知運動融合中的功能表現有重要作用。 本項目的研究內容包括：設計開發高靈敏度精確抓握測試儀，搭建實驗平台和軟體系統，利用阻隔局部血流和指尖覆蓋物等方法形成單指及雙指觸覺障礙，測試在穩定及擾動負載力條件下拇指和食指配合完成精確抓握動作時各手指三維空間力、力矩和壓力中心點(Center of Pressure, COP)等動力學信號；利用去趨勢波動分析、定量遞歸分析、熵算法等先進的非線性分析技術，研究各手指動力學信號的復現性、波動性和相位同步性特徵，並挖掘二指動力學系統的耦合關係及特徵參數的時間演變規律。研究發現，觸覺靈敏度降低後的拇指和食指產生的豎直切向力的結構變化性降低，證明觸覺障礙下系統應對外部變數的動力學自由度下降；而水平切向力和法向力的結構變化性並不受指尖觸覺靈敏度調製，說明與豎直切向力結構變化性依賴於觸覺反饋控制相比，法向力時變結構更依賴於基於經驗的前饋控制。SA-II型觸覺感受體的功能異常是造成指力結構變化性降低的主要原因。穩定負載時，拇指和食指COP分布的長軸和短軸會隨觸覺條件的改變而發生規律性的變化，當觸覺靈敏度降低之後，食指COP的長軸明顯長於拇指COP的長軸，其短軸則顯示出相反的關係。拇指在出現觸覺靈敏度降低之後，其COP時間序列的確定性成份增高，可預測性變大，但其複雜度也明顯升高；但食指在不同的觸覺靈敏度下其COP時間序列沒有表現出相同的特點。本項目取得了多項成果：設計開發了精確抓握測試儀、實驗平台及軟體系統，獲得了正常及異常觸覺時精確抓握指間相位延遲關鍵數據，明確了FA和SA兩種機械刺激感受器作用、拇指和食指在抓握控制中的功能特性、以及觸覺主導下的反饋控制和經驗主導下的前饋控制等關鍵機制。本項目研究成果對周圍神經症下的神經肌肉疾病的臨床診斷、手功能的定量評估、工傷和職業病防治以及柔性機器手的研究方面有重要意義。