O controle compartilhado háptico melhora a eficiência neural durante o uso de prótese mioelétrica

Nov 02, 2023

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 484 (2023) Citar este artigo

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As próteses mioelétricas clínicas carecem de feedback sensorial e destreza suficiente necessários para concluir as atividades da vida diária com eficiência e precisão. Fornecer feedback tátil de sugestões ambientais relevantes para o usuário ou imbuir a prótese com autoridade de controle autônomo demonstrou separadamente melhorar a utilidade da prótese. Poucos estudos, no entanto, investigaram o efeito da combinação dessas duas abordagens em um paradigma de controle compartilhado, e nenhum avaliou tal abordagem da perspectiva da eficiência neural (a relação entre o desempenho da tarefa e o esforço mental medido diretamente no cérebro). Neste trabalho, analisamos a eficiência neural de 30 participantes não amputados em uma tarefa de agarrar e levantar um objeto frágil. Aqui, uma prótese mioelétrica com feedback vibrotátil da força de preensão e controle autônomo de preensão foi comparada com uma prótese mioelétrica padrão com e sem feedback vibrotátil. Como medida de esforço mental, capturamos as mudanças na atividade do córtex pré-frontal usando espectroscopia de infravermelho próximo funcional durante o experimento. Esperava-se que a prótese com controle háptico compartilhado melhorasse tanto o desempenho da tarefa quanto o esforço mental em comparação com a prótese padrão. Os resultados mostraram que apenas o sistema de controle háptico compartilhado permitiu que os usuários alcançassem alta eficiência neural e que o feedback vibrotátil foi importante para agarrar com a força de preensão apropriada. Esses resultados indicam que o sistema de controle compartilhado háptico combina sinergicamente os benefícios do feedback háptico e dos controladores autônomos e está bem posicionado para informar esses avanços híbridos na tecnologia de próteses mioelétricas.

Durante a manipulação volitiva de objetos, as sensações hápticas (proprioceptivas, cinestésicas e táteis) do membro biológico são usadas para fazer correções de preensão e atualizar modelos internos de alimentação do objeto e do ambiente1. Esse refinamento do modelo ajuda a melhorar a velocidade e a destreza das manipulações subsequentes, de modo que uma interação inicialmente hesitante com um objeto desconhecido ou frágil torna-se mais suave e eficiente com mais experiência2,3. A informação sensorial é particularmente importante para ajustar as forças de preensão para lidar com objetos frágeis ou quebradiços; a força de preensão deve ser grande o suficiente para neutralizar a inércia e a gravidade, mas não grande o suficiente para esmagar o objeto4. Esse conhecimento informado pelo háptico é perdido em próteses típicas de membros superiores, pois elas não fornecem feedback sensorial.

Nas últimas décadas, os pesquisadores têm tentado restaurar o feedback háptico em próteses de membros superiores (consulte a revisão de 2018 de Stephens-Fripp et al.5). Em particular, um esforço significativo foi colocado no uso de estímulos mecanotáteis na pele para fornecer aos usuários de próteses dicas como força de preensão, abertura de preensão e deslizamento de objetos6,7,8. Pesquisas anteriores demonstraram os benefícios do feedback háptico na melhoria do desempenho de tarefas discriminativas e hábeis com uma prótese mioelétrica9,10,11,12. Notavelmente, o feedback vibrotátil continua sendo um método simples, mas eficaz, de feedback háptico em próteses devido ao seu tamanho compacto e baixo consumo de energia13,14,15,16,17,18.

Apesar dos benefícios demonstrados do feedback háptico para próteses de membros superiores, em particular para modulação da força de preensão10,11,19, o controle consistente até mesmo das mãos mioelétricas padrão continua sendo um desafio. No esquema mioelétrico mais simples, controle direto, a quantidade de atividade elétrica de um par muscular agonista-antagonista é usada para controlar um dispositivo terminal de prótese com um único grau de liberdade. O atraso inerente entre a interpretação do usuário do feedback háptico e o comando mioelétrico subsequente pode tornar o movimento volitivo muito lento20, bem como cognitivamente exigente21,22.