指尖触觉障碍下精确抓握动力学特征研究

Hand-fingertip touch sensation is one of the most sensitive contact perceptions in human-beings. It plays a role in hand precise manipulation. Various types of chornic peripheral neuropathies or acute hand injuries can easily damage the fingertip touch and thereby severely affect hand functions. Today, the sensorimotor integration of hand particularly under fingertip tactile impairment has become a hot issue in both medical profession and engineering. This project aims to find the effects of fingertip tactile deficits upon the precision grip between thumb and index fingers. The simulation of tactile impairment will be realized by local anesthesia to single or couple digits. By sequently performed static and dynamic biomechanics experiments, the kinetic signals of three components of force, three directional moments and two coordinates of fingertip center of pressure in condition of either stable or cyclically changed load force will be recorded individually from thumb and index finger. These signals will be analyzed to find out the patterns in recurrence, fluctuation and phase synchonization, to explore the coupling relationship in between two digit systems, and to identify any time effects exhibited from parameters. Based on the experiment and signal analysis, the dynamic changes of inter-digit coordination under balanced and unbalanced fingertip tactile deficits will be clarified. This work will contribute to a better understanding of the key issues on role of fast-adapting and slow-adapting mechanoreceptors, on kinetic specificity of thumb and index fingers during precision grip, and on mechanisms of both feedback control and feed-forward control conducted by touch sensation. This project, therefore, has significance in objective and quantititive assesment to hand function and the theoritical development of flexible manipulators integrated with touch sensation.

手指尖触觉是人体最灵敏的接触感知方式，对手的精确运动控制至关重要。在各类慢性外周神经病和急性手外伤中，指尖触觉极易受损并严重影响手功能。目前，对指尖触觉障碍下手的感知运动融合研究已成为医学界和工程界共同关心的热点问题。本项目研究指尖触觉障碍对拇指和食指配合的精确抓握能力的影响。项目将利用单、双指局部麻醉技术模拟触觉障碍，并运用静态及扰动力学实验记录负载力平稳和周期性变化时，拇指及食指的空间三维力、力矩和指尖压力中心点等动力学信号，分析其复现性、波动性和相位同步性特征，并挖掘二指动力学系统的耦合关系和特征参数的时间演变规律，从而阐明平衡和非平衡指尖触觉障碍下二指动力学协调性的改变。本项目有助于深入认识快适应和慢适应两种机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、以及触觉主导下的后向反馈和前向预测控制机制等关键问题，在手功能的客观量化评估和柔性机器手的理论研究方面都有重要意义。

手是人类最灵巧的运动器官，也是最敏锐的触觉感知器官。手指尖的光滑皮肤区是触觉最敏感部位，在抓握细小物体时起至关重要的作用。 然而，目前对指尖触觉在精确抓握的作用机制，特别是在平衡和非平衡指尖触觉灵敏度下精确抓握动力学时变非线性特征还不清楚。本项目研究指尖触觉障碍对精确抓握功能的影响，对认识手指间动态协调作用机制，明确不同类型的触觉感受体在感知运动融合中的功能表现有重要作用。. 本项目的研究内容包括：设计开发高灵敏度精确抓握测试仪，搭建实验平台和软件系统，利用阻隔局部血流和指尖覆盖物等方法形成单指及双指触觉障碍，测试在稳定及扰动负载力条件下拇指和食指配合完成精确抓握动作时各手指三维空间力、力矩和压力中心点(Center of Pressure, COP)等动力学信号；利用去趋势波动分析、定量递归分析、熵算法等先进的非线性分析技术，研究各手指动力学信号的复现性、波动性和相位同步性特征，并挖掘二指动力学系统的耦合关系及特征参数的时间演变规律。. 研究发现，触觉灵敏度降低后的拇指和食指产生的竖直切向力的结构变化性降低，证明触觉障碍下系统应对外部变量的动力学自由度下降；而水平切向力和法向力的结构变化性并不受指尖触觉灵敏度调制，说明与竖直切向力结构变化性依赖于触觉反馈控制相比，法向力时变结构更依赖于基于经验的前馈控制。SA-II型触觉感受体的功能异常是造成指力结构变化性降低的主要原因。稳定负载时，拇指和食指COP分布的长轴和短轴会随触觉条件的改变而发生规律性的变化，当触觉灵敏度降低之后，食指COP的长轴明显长于拇指COP的长轴，其短轴则显示出相反的关系。拇指在出现触觉灵敏度降低之后，其COP时间序列的确定性成份增高，可预测性变大，但其复杂度也明显升高；但食指在不同的触觉灵敏度下其COP时间序列没有表现出相同的特点。. 本项目取得了多项成果：设计开发了精确抓握测试仪、实验平台及软件系统，获得了正常及异常触觉时精确抓握指间相位延迟关键数据，明确了FA和SA两种机械刺激感受器作用、拇指和食指在抓握控制中的功能特性、以及触觉主导下的反馈控制和经验主导下的前馈控制等关键机制。本项目研究成果对周围神经症下的神经肌肉疾病的临床诊断、手功能的定量评估、工伤和职业病防治以及柔性机器手的研究方面有重要意义。