電觸覺(jué)的皮膚神經(jīng)機(jī)理仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

徐 飛 張定國(guó) 許 恒

上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240

電觸覺(jué)的皮膚神經(jīng)機(jī)理仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

徐 飛 張定國(guó)*許 恒

上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240

觸覺(jué)學(xué)已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用，如遙控機(jī)器人、手術(shù)機(jī)器人、假肢、娛樂(lè)交互界面以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等，以此來(lái)增強(qiáng)人對(duì)機(jī)器或者虛擬物體的操作性。電觸覺(jué)是現(xiàn)在主要的觸覺(jué)再現(xiàn)措施，即通過(guò)改變恒流/恒壓電脈沖的頻率、脈寬、強(qiáng)度以及脈沖方向等因素,讓人產(chǎn)生不同的觸覺(jué)感。首先通過(guò)人體皮膚神經(jīng)的建模推導(dǎo)出激勵(lì)函數(shù)，并進(jìn)行仿真研究，通過(guò)改變施加在電刺激陣列的電脈沖方向和強(qiáng)度，設(shè)計(jì)能分別刺激皮下3種刺激感受器(Meissner觸覺(jué)小體、Merkel觸盤(pán)、Pancinian環(huán)層小體)的實(shí)驗(yàn)范式，同時(shí)進(jìn)行了心理物理學(xué)實(shí)驗(yàn)。10位受試者參加了實(shí)驗(yàn)，對(duì)食指進(jìn)行電觸覺(jué)刺激。正脈沖時(shí)采用不同頻率(10、30、70、90 Hz)的電脈沖進(jìn)行刺激，讓受試者產(chǎn)生不同級(jí)別的振動(dòng)感；負(fù)脈沖時(shí)采用不同脈寬(150、200、250、300 μs)的電脈沖進(jìn)行刺激，讓受試者產(chǎn)生不同級(jí)別的壓力感。受試者對(duì)振動(dòng)和壓力的感覺(jué)強(qiáng)度進(jìn)行主觀判斷。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,該模型下的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ侥軌蚴褂|覺(jué)強(qiáng)度分級(jí)平均識(shí)別率高達(dá)80%以上，同時(shí)可通過(guò)對(duì)刺激電極分布以及電流大小的分析，找到最佳的刺激模式，保證最佳的觸覺(jué)再現(xiàn)。

觸覺(jué)學(xué)；電觸覺(jué)；電刺激；皮膚神經(jīng)；心理物理學(xué)實(shí)驗(yàn)

引言

對(duì)于人體來(lái)說(shuō)，主要的反饋信息主要包含3種：觸覺(jué)反饋、聲音反饋以及視覺(jué)反饋[1]。其中,觸覺(jué)感受作為反饋信號(hào)的一種，在人的日?；顒?dòng)中能讓人產(chǎn)生強(qiáng)烈的臨場(chǎng)感，它在感覺(jué)系統(tǒng)中占有重要的地位，具有視覺(jué)等其他感覺(jué)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能。觸覺(jué)是接觸、滑動(dòng)、壓覺(jué)等一系列機(jī)械刺激的總稱(chēng)，它的感受器分布在人的全身，主要是由壓力和牽引力作用于感受器而引起人的感受。通過(guò)人體皮膚的感受器來(lái)感受觸覺(jué)信息,能讓人感受到外部環(huán)境的空間以及時(shí)間信息[2-3]，即物體的材質(zhì)、粗糙感、振動(dòng)以及溫度等外部環(huán)境信息。所以,觸覺(jué)的研究一直是虛擬現(xiàn)實(shí)、遠(yuǎn)程操作以及人機(jī)界面等領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)觸覺(jué)再現(xiàn)的方法有很多種，電觸覺(jué)相對(duì)于其他的觸覺(jué)反饋方式有著很大的優(yōu)勢(shì)，電刺激有著簡(jiǎn)單易行、輕巧方便、能量的轉(zhuǎn)換效率高、易于集中而且分辨率高以及便于用電腦控制等優(yōu)點(diǎn)，一直受到國(guó)內(nèi)外研究人員的重視[4]。

所謂電觸覺(jué)的產(chǎn)生，就是通過(guò)脈沖方式進(jìn)行刺激，在此過(guò)程中改變刺激的電壓(恒壓式刺激)、電流(恒流式刺激)的參數(shù)，如電脈沖的頻率、幅值、脈寬以及脈沖方向等。同時(shí)也會(huì)考慮改變電極大小、電極材料以及在電刺激過(guò)程中皮膚與電極的接觸力，還有刺激手指的位置、厚度以及水合作用等[5]，讓人在電刺激過(guò)程中能夠產(chǎn)生振動(dòng)感、壓力感、粗糙感、刺痛感等感覺(jué)信息。主要的刺激位置集中在人體的皮膚、舌頭以及手指等部位，特別是舌頭和手指尖部位的機(jī)械感受器分布密集[6]，電脈沖刺激該處能產(chǎn)生強(qiáng)烈的感覺(jué)。

下面是討論人體皮膚觸覺(jué)的生理學(xué)基礎(chǔ)，詳細(xì)介紹了3種機(jī)械感受器的功能;然后對(duì)神經(jīng)建立模型并進(jìn)行仿真，找到最優(yōu)的刺激皮下3種機(jī)械感受器的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑蛔詈笸ㄟ^(guò)基于手指的電觸覺(jué)心理物理學(xué)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證該模型的正確性，并探討了電觸覺(jué)在手臂上的應(yīng)用。

1 皮膚電刺激生理學(xué)

在人體的皮膚內(nèi)，大約每平方厘米就有200多個(gè)感覺(jué)神經(jīng)末梢[7]，因此而形成了各種各樣的感受器，這些感受器能夠感覺(jué)外部世界的刺激，如接觸、壓迫、冷熱和疼痛等。觸-壓覺(jué)產(chǎn)生的最主要的原因是外部環(huán)境造成了皮膚的變形，不管是輕微的還是較重的變形。皮膚的變形造成了皮膚內(nèi)部機(jī)械感受器的變形，導(dǎo)致動(dòng)作電位的產(chǎn)生，傳遞到大腦的感知皮層從而產(chǎn)生了感覺(jué)。

人體中的機(jī)械感受器主要分為兩種：慢適應(yīng)型感受器和快適應(yīng)型感受器，這兩者又可以分為Ⅰ型和Ⅱ型，主要取決于該感受器在皮膚中所處的位置和分布。一般在研究觸覺(jué)的過(guò)程中，主要研究Meissner觸覺(jué)小體、Pacinian環(huán)層小體以及Merkel觸盤(pán)對(duì)皮膚外部刺激的反應(yīng)，其生理學(xué)參數(shù)如表1所示。Kajimoto等稱(chēng)這3種機(jī)械感受器為感覺(jué)三基色(tactile primary colors)[8]，認(rèn)為這3種機(jī)械感受器就像自然界中的紅、綠、藍(lán)三基色一樣組合起來(lái)，可以形成人體豐富的感覺(jué)。如果機(jī)械感受器的組合出現(xiàn)問(wèn)題，人就像患有色盲癥一樣，只能體驗(yàn)很簡(jiǎn)單的感覺(jué)。

圖1 觸覺(jué)小體、環(huán)層小體以及觸盤(pán)在人體皮膚下組織里面的分布，3種機(jī)械振動(dòng)感受器就像三基色一樣結(jié)合起來(lái)組織成人的多樣觸覺(jué)感[8]Fig. 1 The schematic distribution of Meissner, Pacinian and Merkel under human’s skin which combine together to form various sensations like three primary colors[8]

表1 3種機(jī)械感受器的具體參數(shù)[10]

2 皮膚神經(jīng)模型及仿真

2.1皮膚神經(jīng)建模

物理刺激能夠直接刺激人體的感受器，從而導(dǎo)致動(dòng)作電位能傳輸?shù)街袠猩窠?jīng)系統(tǒng)。與物理刺激不一樣，電刺激能夠直接將機(jī)械感受器的膜去極化，從而產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作電位。所以理論上來(lái)說(shuō),電刺激如果能分別刺激到相應(yīng)的神經(jīng)，就能產(chǎn)生各種各樣的感覺(jué)。當(dāng)電壓施加到皮膚表面時(shí)，在皮下組織產(chǎn)生的電勢(shì)能直接刺激神經(jīng)纖維,從而產(chǎn)生機(jī)械觸感[11-12]。

神經(jīng)的模型如圖2所示，模型的建立基于以下假設(shè)[13]：1)神經(jīng)元的等效電路是二維的，并且主要包括軸突的軸向電阻、膜的電阻、靜電位以及電容，軸突方向?yàn)閤軸，另外一個(gè)方向?yàn)閦軸；2)電流方向也是兩維的；3)郎氏節(jié)在x軸方向是均勻分布的；4)軸突和膜是被動(dòng)的，即圖中的電阻和電容不會(huì)隨著電壓的變化而變化；5)神經(jīng)分布在絕對(duì)均勻、導(dǎo)電的介質(zhì)中。

圖2 皮膚神經(jīng)的等效電路圖Fig.2 The equivalent circuit diagram for cutaneous nerve

(1)

(2)

(3)

式中，ρi為膜內(nèi)電導(dǎo)率，cm為單位面積內(nèi)膜的等效電容，ii,n為單位面積內(nèi)膜內(nèi)的電子流密度。由式(3)可以看到，神經(jīng)外電流源的影響為

(4)

(5)

式(5)為Rattay所揭示的激勵(lì)函數(shù)[14]，可以看到動(dòng)作電位的產(chǎn)生主要是受電流的大小以及神經(jīng)在皮下的深度這兩個(gè)因素影響。

3 心理物理學(xué)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)主要分兩組，一組為正脈沖，一組為負(fù)脈沖，電腦隨機(jī)分別產(chǎn)生4種不同的電刺激頻率(振動(dòng)感覺(jué))或脈寬(壓力感覺(jué))。按空格鍵開(kāi)始，顯示器會(huì)出現(xiàn)十字架，受試者按照感受到的刺激根據(jù)1～4級(jí)來(lái)劃分并按下相應(yīng)的鍵盤(pán)，電腦會(huì)自動(dòng)記錄受試者的真實(shí)刺激級(jí)別和感受到的級(jí)別。每組實(shí)驗(yàn)共有40次刺激，其實(shí)驗(yàn)演示如圖6所示。正脈沖采用的改變頻率定脈寬的方式，頻率有10、30、70、90 Hz，脈寬都為200 μs，幅值為2 mA，定義的振動(dòng)感強(qiáng)度為1～4。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)者表示振動(dòng)感由弱到強(qiáng)。負(fù)脈沖采用的是改脈寬定頻率的方式，頻率為100 Hz，脈寬分別為150、200、250、300 μs。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)者感受到的壓力感由弱到強(qiáng)。

圖3 受試者實(shí)驗(yàn)演示Fig.3 Demonstration of a subject taking experiment

4 結(jié)果

4.1皮膚神經(jīng)仿真結(jié)果

3種機(jī)械感受器距皮膚表面的距離參照表1，分別為0.7、0.9、2 mm。軸突的方向和深度對(duì)電刺激的激勵(lì)函數(shù)有著非常重要的意義。但是，在以往的論文里面很少有提及每個(gè)機(jī)械感受器軸突的方向，筆者可以做出一些簡(jiǎn)單的推論及假設(shè)。首先是Meissner觸覺(jué)小體的軸突分支是由表面皮膚神經(jīng)上升到表皮的，所以認(rèn)為在手指處特別是在接近皮膚表面的地方，Meissner觸覺(jué)小體相對(duì)于皮膚表面是垂直的。Merkel觸盤(pán)以及Pacinian環(huán)層小體還未有文獻(xiàn)表明它的方向如何，但是在文獻(xiàn)[19]中都顯示了兩者是水平于皮膚表面的，所以在本文中也做出該假設(shè)。

在圖4中，顯示了單電極正電流刺激3種機(jī)械感受器的激勵(lì)函數(shù)的仿真結(jié)果。結(jié)果表明，在正電流的刺激下，電流主要能刺激到Meissner觸覺(jué)小體，但是同樣也能刺激到Merkel觸盤(pán)以及Pacinian環(huán)層小體。由于兩者的幅值較小，所以有理由認(rèn)為在正電流幅值較小的情況下，該實(shí)驗(yàn)范式能刺激到Meissner觸覺(jué)小體，從而產(chǎn)生相應(yīng)的低頻振動(dòng)感。同樣的道理，在負(fù)電流的情況下，圖4的結(jié)果會(huì)正負(fù)顛倒過(guò)來(lái)，主要能刺激到的是Merkel觸盤(pán)，能產(chǎn)生相應(yīng)的壓力感，HiroyukiKajimoto等人將該刺激模式稱(chēng)為RA模式[10]。

多極正電流刺激以及和仿真結(jié)果如圖5所示，3種機(jī)械感受器都受到了刺激。負(fù)電流刺激的時(shí)候不僅能刺激到Merkel觸盤(pán)，同時(shí)也能刺激到Meissner觸覺(jué)小體，并且刺激強(qiáng)度比較大。相對(duì)于Meissner觸覺(jué)小體以及Merkel觸盤(pán)，Pacinian環(huán)層小體的刺激幅值較單電極刺激的幅值變大，也就是說(shuō)，Pacinian環(huán)層小體在多電極刺激的時(shí)候得到了稍微的增強(qiáng)，該刺激模式被稱(chēng)為PC模式[10]。目前沿?zé)o法通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)證明該現(xiàn)象是否準(zhǔn)確，因?yàn)镻acinian環(huán)層小體出現(xiàn)的高頻振動(dòng)感會(huì)和Merkel觸盤(pán)出現(xiàn)的壓力感混淆，讓人無(wú)法區(qū)分。

圖4 單正極電極刺激下的激勵(lì)函數(shù)的值Fig.4 Value of stimulation function under single positive electrode

圖5 多正極電極刺激下的激勵(lì)函數(shù)的值Fig.5 Value of stimulation function under multiple positive electrodes

圖6顯示了正負(fù)電流多電極陣列刺激時(shí)激勵(lì)函數(shù)的變化?？梢悦黠@發(fā)現(xiàn)，Merkel觸盤(pán)的最大激勵(lì)函數(shù)的值明顯增大，而且與Meissner觸覺(jué)小體最大激勵(lì)函數(shù)的比值約為3，比前面兩個(gè)范式都要好。同時(shí)，對(duì)于負(fù)電流來(lái)說(shuō)，Meissner觸覺(jué)小體最大激勵(lì)函數(shù)值與Merkel觸盤(pán)的最大激勵(lì)函數(shù)值的比例為10。這就說(shuō)明，采用帶有權(quán)重的電極陣列要比單電極或相同電流的電極陣列要好很多。

圖6 正負(fù)電極刺激下的激勵(lì)函數(shù)的值Fig.6 Value of stimulation function under cathodes and anodes

由上面的仿真結(jié)果可以看出，激勵(lì)函數(shù)給實(shí)驗(yàn)者在電極排布以及電流大小分布從而影響感覺(jué)上提供了重要的指導(dǎo)思路。該模型能一定程度上解釋受試者在實(shí)際皮膚表面電刺激時(shí)的感覺(jué)，但缺乏電刺激參數(shù)(頻率、脈寬等)對(duì)感覺(jué)影響的解釋。

4.2心理物理學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖7顯示了正負(fù)脈沖在4種分級(jí)強(qiáng)度上受試者辨別的正確率。對(duì)于正脈沖來(lái)說(shuō)，在10和30 Hz的區(qū)分度比較高，70和90 Hz的區(qū)分度較低，都在50%左右，兩者的感覺(jué)容易混淆。這就驗(yàn)證了本文2節(jié)的仿真結(jié)果，即正脈沖能夠刺激Meissner觸覺(jué)小體，而該機(jī)械感受器只能感受低頻的振動(dòng)，超過(guò)60 Hz就很難區(qū)分。

對(duì)于負(fù)脈沖來(lái)說(shuō)，每個(gè)刺激的區(qū)分度都比較高，不同脈寬之間引發(fā)的感覺(jué)判斷錯(cuò)誤基本都是由于相鄰兩個(gè)脈寬之間無(wú)法區(qū)分而引起的。受試者在負(fù)脈沖的刺激下都產(chǎn)生了壓力感，這也驗(yàn)證了負(fù)脈沖主要刺激的是Merkel觸盤(pán)，該機(jī)械感受器相對(duì)于靜態(tài)的刺激來(lái)說(shuō)更敏感，要比動(dòng)態(tài)的刺激敏感10倍，在一定的脈寬范圍內(nèi)，不同脈寬刺激引起的感覺(jué)是可以區(qū)分的。

圖7 分級(jí)實(shí)驗(yàn)的識(shí)別率。(a)振動(dòng)感覺(jué)分級(jí)識(shí)別率；(b)壓力感覺(jué)分級(jí)識(shí)別率Fig.7 The accuracy of classification experiment (a) Classification accuracy of vibration feeling (b) Classification accuracy of pressure feeling

5 討論和結(jié)論

本課題只研究了振動(dòng)感和壓力感,因?yàn)槠渌|覺(jué)(如粗糙度、滑覺(jué)和摩擦感等)可以通過(guò)這兩種感覺(jué)的組合得以實(shí)現(xiàn)，也就是在時(shí)間-空間上控制電脈沖刺激的模式來(lái)集合生成[15]。以滑覺(jué)為例，可以通過(guò)在時(shí)間序列上安排電刺激，即可以通過(guò)在電極位置上依次循環(huán)刺激，讓實(shí)驗(yàn)者能夠產(chǎn)生相應(yīng)的滑覺(jué)以及不同方向的壓力感。針對(duì)觸覺(jué)，現(xiàn)有的機(jī)械義肢或者機(jī)械手上可以安裝壓力傳感器以及振動(dòng)傳感器，通過(guò)這兩種傳感器,將電流脈沖編碼轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的壓力和振動(dòng)來(lái)還原真實(shí)的環(huán)境信息。

綜上所述，本研究的電觸覺(jué)技術(shù)未來(lái)可以在高端假肢上得到應(yīng)用，即通過(guò)采集機(jī)械假肢上傳感器的信息，將所有的傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電刺激信號(hào),對(duì)人體上臂皮膚表面進(jìn)行刺激。事實(shí)上，在上臂上進(jìn)行刺激和在手指上刺激的感覺(jué)效果比較相似，只是手臂上的空間分辨率要差很多，意味著電極之間的位置要較大。而且,電極也要考慮導(dǎo)電性更好的材質(zhì)，如濕電極或者Ag/AgCl電極等。同時(shí),如果能刺激到手臂上的橈神經(jīng)、正中神經(jīng)以及尺骨神經(jīng),就能產(chǎn)生相應(yīng)的感覺(jué)轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。也就是說(shuō)，電刺激上臂可以在手指處產(chǎn)生相應(yīng)的感覺(jué)，即使是相對(duì)于截肢患者也有同樣的效果，只是在手臂上相關(guān)的神經(jīng)都被肌肉包圍，很難被刺激到。帶有電刺激的機(jī)械假肢不僅能夠使截肢患者能夠更好地操作假肢，而且能夠在一定程度上減少患肢痛[16]。同時(shí)也有證據(jù)表明，如果機(jī)械假肢帶有一定的觸覺(jué)和關(guān)節(jié)角度信息的反饋，則能夠在一定程度上提高截肢患者對(duì)機(jī)械假肢的接受度[17-18]。

本課題主要進(jìn)行了基于電觸覺(jué)的皮膚神經(jīng)模型的仿真和驗(yàn)證，通過(guò)生理學(xué)和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，解釋了人在皮膚表面電刺激的時(shí)候產(chǎn)生的振動(dòng)感和壓力感。實(shí)驗(yàn)表明，在一定的刺激參數(shù)范圍內(nèi)，電刺激產(chǎn)生的振動(dòng)感和壓力感可以達(dá)到很高的區(qū)分度。

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StimulationandExperimentalVerificationonCutaneousNervousMechanismofElectrotactileFeeling

XU Fei ZHANG Ding-Guo*XU Heng

(SchoolofMechanicalEngineering,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200240,China)

Nowadays, haptics has been widely used in many fields such as telecontrol robots, surgical robots, prosthesis, entertainment interface and virtual reality, which has improved the operability of actual or virtual objects for human. Electrotactile stimulation is a main technique to reproduce tactile sensation by changing the frequency, duration, amplitude, direction and distribution of constant-current electrical pulses. In this article, a model of cutaneous nerves under electrical stimulation was developed to serve for simulation study, and stimulation function was deduced based on the model. With the simulation, optimal paradigms for stimulating three mechanoreceptors (Meissner’s corpuscle, Merkel’s disc and Pancinian corpuscle) were separately found in a trial-and-error way, i.e. by changing the direction and amplitude of electrical pulses in arrays through simulation study. Furthermore, psychophysical experiments were carried out to make 10 experimenters sense two kinds of feelings (vibration and pressure). The targeting area for electrotactile stimulation was on the index fingers. For vibration feeling, positive electrical pulses of different frequencies(10，30，70，90 Hz)were applied; For pressure feeling, negative electrical pulses of different widths(150、200、250、300 μs)were applied. The subjects gave their subjective judgment on the grade of the feeling generated by electrical stimulation.Statistical results showed that the averaged recognition rate of two sensations under the help of the model reached higher than 80%. The model is helpful in finding the best stimulation pattern and assuring the realization of optimal reproduction of tactile sensation.

haptics; electrotactile; electrical stimulation; cutaneous nerves; psychophysical experiment

10.3969/j.issn.0258-8021. 2014. 01.004

2013-03-15， 錄用日期：2013-12-06

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)(2011CB013305)；國(guó)家自然科學(xué)基金(51075265)

R318

A

0258-8021(2014) 01-0022-06

*通信作者。E-mail: dgzhang@sjtu.edu.cn