On sensory feedback in hand prostheses

Abstract

Amputation of the hand implies the loss of the ability to grasp and the ability to "feel". The grasping function can be primitively restored using an active prosthesis. Multi­articulating electrically powered hands have recently made their way to the market and these hands provide enhanced grasping and gripping capabilities. However, these hands provide no direct and conscious sensory feedback to the user and there are ongoing research efforts in providing prosthetic hands with a sense of touch. There is no commercially available system for artificial limbs today that provides the user with conscious sensory feedback. This thesis presents the development and experimental studies of a new concept for providing users of prosthetic hands with a conscious sensory feedback. Previous studies have mostly relied on "sensory substitution" methods where sensory feedback is delivered in a different modality or to a different location on the body. By using modality matched sensory feedback, e.g. if pressure is sensed at a prosthetic finger then pressure is fed back to the amputee, the amputee would not have to learn to interpret the feedback signal (e.g. pressure coded as vibrations). Furthermore, many amputees experience a phantom "hand map" in their residual limb and when specific areas of this map is stimulated, the stimuli is perceived as coming from specific fingers in the amputated hand. By utilizing the phantom "hand map", amputees can be provided with modality matched sensory feedback, delivered to the "correct" body location and activating the correct location in the somatosensory cortex. In several studies, feedback actuators in the form of digital servomotors or air­mediated pressure bulbs were used to provide both non­amputees and amputees with sensory feedback. It was shown that amputees can learn to interpret sensory feedback on different locations and that the developed sensory feedback system would not interfere negatively with a myoelectric control system. Furthermore, it was shown that the use of modality matched feedback in a multi­site discrimination task yielded better results than modality mismatched sensory feedback. In conclusion, the studies indicate that this new concept for sensory feedback in hand prostheses can be useful in future artificial hands and enhance the sense of body ownership of the prosthesis.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Denna avhandling behandlar ämnet känselåterkoppling i handproteser. Att mista sin hand är en traumatisk upplevelse och den som har mist sin hand förlorar både känsel och motorik. En rudimentär greppfunktion kan återskapas genom att använda en handprotes. Nya och avancerade proteser som kontrolleras med hjälp av muskelsignaler finns numera på marknaden och dessa myoelektriska handproteser möjliggör användandet av flera greppfunktioner. De avancerade myoelektriska handproteser som finns idag har inte någon känselåterkoppling som når användarens medvetande. Detta kan bidra till begränsat användande. Känselåterkopplingens betydelse är flerfaldig. Man behöver känselåterkoppling för att kunna reglera styrkan i ett handgrepp. Vidare så kan känselåterkoppling från handprotesen eventuellt vara av betydelse vid behandling av fantomsmärta. I hjärnan finns en kartbild av kroppens alla delar. Vid en handamputation tas handens område i hjärnkartan snabbt över av underarmens område. Fingrarna känns nu i ett specifikt mönster på amputationsstumpen och magnetkameraundersökning visar att beröring av detta mönster registreras i hjärnans handkarta. Genom att använda detta mönster av fingrar som finns i amputationsstumpen för att återkoppla känsel kan en kroppsegen uppfattning av proteshanden framkallas. Tidigare utvecklade system inom forskningen har använt sej av vad som kallas "sensory substitution" eller känselersättning. I ett sådant system omkodas t.ex. tryck på en proteshands finger till vibrationer som överförs till ett annat ställe på kroppen. Vi har utvecklat ett nytt koncept för känselåterkoppling i handproteser. Genom att använda sensorer placerade i fingerspetsarna på en handprotes och genom att ha små elektriska motorer eller ett system av luftbubblor som stimulerar huden på den amputerades underarm kan man få en handprotes att förmedla känsel. Undersökningar har utförts på icke­amputerade och amputerade. Vidare genom att specifikt stimulera det mönster av fingrar som de flesta amputerade upplever i amputationstumpen kan den amputerade få en verklig känselförnimmelse av varje finger. Eftersom känselåterkopplingssystemet är tänkt att användas i myoelektriskt styrda handproteser har vi också visat att systemet kan användas utan att negativt påverka de signaler som genereras av musklerna och används av styrsystemet. Ett helt passivt system (utan elektronik och batterier) har också utvecklats i vilket man använder luftbubblor som sensorer och stimulatorer. Detta system utvecklades för en myoelektriskt styrd protes men skulle också kunna användas i kosmetiska och kroppsdrivna system p.g.a. dess låga vikt. En preliminär undersökning av kroppstillhörighet har också genomförts i vilken man kunde se att amputerade kunde integrera en robothand i sin kroppsbild. Vi har också jämfört vårt system med ett system som baseras på känselersättning i form av vibrationer. I denna studie använde vi oss av det tidigare nämnda mönstret av fingrar en amputerad upplever på sin kvarvarande arm. Resultaten visade att det system som bygger på tryckstimuli var att föredra framför ett känselersättningssystem baserat på vibrationer. Fastän denna forskning har haft fokus på handproteser så skulle resultaten också kunna tillämpas på fot och benproteser. Även om våra undersökningar har visat goda resultat inom området för känselåterkoppling i handproteser finns det flera aspekter inom handprotesområdet som kräver vidare forskning och utveckling. En handprotes ska verka i symbios med sin användare och för att öka användbarheten så bör proteshänders mekanik, styrning och i synnerhet känselåterkoppling vidareutvecklas.

• author: Antfolk, Christian
• supervisor: Thomas Laurell
• opponent: Associate Professor Jensen, Winnie, Center for Sensory-Motor Interaction, Aalborg University
• organization: Department of Biomedical Engineering
• publishing date: 2012
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Medical Engineering
• keywords: Prosthetic hands, sensory feedback.
• pages: 161 pages
• defense location: Lecture hall E:1406, E-building, Ole Römers väg 3, Lund University Faculty of Engineering
• defense date: 2012-03-30 10:15:00
• ISBN: 978-91-7473-282-5
• language: English
• LU publication?: yes
• id: df5ea114-bfec-47b3-af47-1e4a7d111599 (old id 2369040)
• date added to LUP: 2016-04-04 13:51:35
• date last changed: 2018-11-21 21:16:47