在认知负荷条件下优化电触觉刺激强度以引发相应反应

《Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation》：Optimizing electrotactile stimulation intensity for responses under cognitive load

经皮电触觉刺激作为假肢补充反馈的研究显示，电触觉刺激的反应时比视觉快中位数50ms（p<0.01），强度变化越大准确性越高（p<0.001），认知负荷仅延缓反应速度（p<0.01）而不影响准确性。研究建议采用更大强度变化步长的电触觉反馈可提升闭环控制可靠性。

　　

摘要

背景

在没有触觉和本体感觉的情况下，假肢使用者主要依靠视觉来获取设备控制的反馈。过度依赖视觉会增加使用假肢时的认知负担，从而导致控制性能下降。通过其他感觉模式提供额外的反馈可以减少对视觉的依赖，并改善假肢的闭环控制。快速准确地识别反馈尤为重要，因为延迟和不准确性都可能破坏闭环控制环境。经皮电触觉刺激是一种具有非侵入性和简单性等优点的有前景的技术。然而，目前尚不清楚哪些参数会影响对电触觉刺激的反应速度和准确性。在这项研究中，我们试图通过操纵与刺激相关的变量和环境变量来研究如何影响对刺激强度瞬时变化的反应特性。

方法

20名参与者完成了针对视觉和电触觉刺激的随机反应时间测试。参与者被要求尽快通过按下控制器上的按钮来响应传入的刺激，无需区分刺激的类型。在第二个实验中，20名参与者完成了电触觉刺激的强度辨别任务。在特定的实验阶段，参与者需要根据需求优先考虑速度或准确性，同时操纵认知负担、刺激变化的幅度和方向。

结果

反应时间实验的结果表明，与视觉刺激相比，电触觉刺激的平均响应时间更快，中位数快约50毫秒（p < 0.01）。在强度辨别实验中，增加刺激变化的幅度导致响应准确性提高和响应时间加快（两种情况下p < 0.001）。认知负担的存在会减慢平均响应时间（p < 0.01），但不影响响应准确性（p = 0.42）。

结论

强度辨别实验的结果表明，为了确保对电触觉刺激的快速准确响应，刺激变化的幅度需要以远大于刚刚可察觉差异的步长来提供。此外，反应时间实验的结果也证实了电触觉刺激的平均响应时间比视觉刺激更快。我们认为，使用感知强度较大的步长进行电触觉刺激可以提供额外的反馈，从而使假肢设备的闭环控制更加可靠。