Human ability to discriminate various parameters in afferent electrical nerve stimulation with particular reference to prostheses sensory feedback

Abstract

Afferent electrical nerve stimulation is an approach showing many promises with regard to sensory feedback for powered prostheses. It is well tolerated, can transmit fairly high amounts of information, and has several characteristics making it superior to electrocutaneous and vibrotactile devices when applied to prostheses. The feedback information is transferred in modulated form either by means of the current pulse amplitude (a.m.) or by the current pulse frequency (f.m.) A.M. stimulation should be applied in such a way that it gives rise to characteristic changes in the distribution of paresthesias with changing current. Used in this way it is not dependent upon minor changes in electrode position, it is easy to learn and gives high rates of information, even in untrained subjects. The number of channels that can be used in each nerve is, however, limited because of the large amount of axons necessary to achieve the spatial spread. F.M. stimulation is more difficult to learn than a.m. but gives the same rate of information transfer when used in trained individuals. Like a.m. it is not dependent upon minor changes in electrode position, but a smaller number of axons is needed to achieve discrimination. Thus several channels can be used in each nerve. Both with a.m. and f.m. stimulation a trained subject can discriminate five or six discrete levels with a rate of correct recognition of more than 75%, the amount of transmitted information being about 1·8 bits per symbol.

Sommaire

La stimulation électrique centripète des nerfs est une technique qui paraît extrêmement fructueuse lorsqu'elle est appliquée au feedback sensoriel pour les prothèses assistées. Elle est bien tolérée, peut transmettre des quantités suffisamment importantes de renseignements, et possède diverses caractéristiques qui la rendent supérieure aux dispositifs électrocutanés et vibrotactiles dans le cas des prothèses. Les renseignements renvoyés sont transmis sous forme modulée de deux manières: soit par modulation d'amplitude (AM), soit par modulation de fréquence (FM). La stimulation AM doit être appliquée de manière à entraîner des changements caractéristiques dans la distribution de la paresthésie lorsque le courant change. Appliquée de cette manière, elle devient indépendante de changements mineurs de position des électrodes, est facile à retenir, et donne des quantités importantes d'information même chez les sujets non entraînés. Le nombre de voies pouvant être utilisées dans chaque nerf est cependant limité à cause du grand nombre d'axones nécessaire pour atteindre une répartition spatiale. La stimulation FM est plus difficile à maîtriser que l'AM, mais donne la même intensité de transfert d'information lorsqu'elle est utilisée avec des sujets entraînés. Comme la stimulation AM, elle est indépendante de changements mineurs de position des électrodes, mais un plus petit nombre d'axones est nécessaire pour obtenir une perception discriminative. Plusieurs voies peuvent être utilisées pour chaque nerf. Avec la stimulation AM comme la stimulation FM, un sujet entraîné peut reconnaître cinq ou six voies discrètes avec 75% de réponses correctes, l'information transmise étant d'environ 1,8 bit par symbole.

Zusammenfassung

Die sensorische elektrische Nervreizung ist eine vielversprechende Methode hinsichtlich des sensorischen Feedback für strombetriebene Prothesen. Sie wird gut vertragen, kann recht große Mengen an Informationen übertragen und hat mehrere Charakteristika, die sie elektrokutanen und vibrotaktilen Vorrichtungen überlegen machen, wenn sie bei Prothesen verwendet wird. Die Feedbackinformationen werden in modulierter Form entweder mit Hilfe der Stromimpulsamplitude (AM) oder der Stromimpulsfrequenz (FM) übertragen. AM-Reizung sollte so angewendet werden, daß sie bei wechselndem Stronm charakteristische Änderungen in der Verteilung der Parästhesien hervorruft. Bei Anwendung in dieser Weise hängt sie nicht von geringfügigen Veränderungen der Elektrodenposition ab, ist leicht zu erlernen und übermittelt auch bei ungeschulten Versuchspersonen ein hohes Maß an Informationen. Die Anzahl von Kanälen, die in jedem Nerv verwendet werden kann, ist jedoch wegen der zur Erzielung der räumlichen Ausbreitung erforderlichen Menge an Neuriten begrenzt. FM-Reizung ist schwerer zu erlernen als AM, ergibt aber bei Anwendung in geschulten Individuen den gleichen Grad an Informationsübertragung. Wie AM ist sie nicht von geringfügigen Änderungen in der Elektrodenposition abhängig, erfordert jedoch eine geringere Zahl von Neuriten zur Erzielung der Unterscheidungsfähigkeit. Auf diese Weise können in jedem Nerv mehrere Kanäle verwendet werden. Eine geschulte Versuchsperson kann sowohl bei AM- als auch bei FM-Reizung fünf bis sechs verschiedene Stufen unterscheiden, wobei die Rate korrekten Erkennens bei über 75 Prozent und die Menge der übertragenen Informationen bei etwa 1,8 Bits pro Sekunde liegt.