An investigation of the relationships between electrotactile stimulus parameters, primary afferent response, and perceived sensation

• Main Author: Vidmark, Jessica Sofie Louise
• Format: Others
• Language: English
• Published: KTH, Skolan för kemi, bioteknologi och hälsa (CBH) 2018
• Subjects: electrotactile stimulation; psychophysical sensation; primary afferent response; sensory feedback; prosthetics; elektrisk hudstimulering; psykofysisk respons; primärafferent respons; sensorisk återkoppling; proteser; Medical Engineering; Medicinteknik
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-251735

Sensory feedback possesses the possibility of adding a new dimension to many applications, including, but not limited to, prosthetics and surgical robots for improved control, virtual reality for incorporation of another sense, and phantom limb pain reduction for amputees. Electrotactile stimulation provides a compact, light-weight, energy efficient, highly responsive, and non-invasive option for sensory feedback; however, it has been found to commonly elicit unnatural or uncomfortable sensations for the user. To address this issue, this thesis was designed to test the impact of the different electrotactile stimulus parameters – current amplitude and polarity, pulse width, frequency, and waveform – on the user’s perceived sensation and afferent neural response. The relationship between sensation and neural response was also analysed. The aim of this thesis was to create guidelines to assist in the design and use of electrotactile stimulation. Neural data and matching psychophysical data from one healthy subject and purely psychophysical data from three others were gathered while applying electrotactile stimulations of different parameter combinations on the dorsal side of the hand or lower arm. Significant (p < 0.05) correlations and differences were found in all three relationships between electrotactile stimulus parameters, primary afferent response, and perceived sensation. Current (specifically negative) or pulse width control in monophasic waveforms were deemed most appropriate in applications that relay information through varying intensity. However, monophasic waveforms produced more discomfort, rendering biphasic waveforms more suitable when mild, local, and more natural sensations are of greater importance. Surprisingly, the data also suggested higher sensitivity to positive currents. While lower values of current amplitude and pulse width increased neural spike count, stimulus frequency could reliably control neural firing at all tested frequencies. Spike counts were moderately to strongly correlated with perceived intensity; however, practically identical neural responses could elicit different sensations. High current pulses at low frequencies induced spikes with the shortest latency – but with greater risk of discomfort. Due to limitations in sample size, generalisability is limited, and this thesis should be considered a pilot study to guide future investigations. The results suggest that recording from single and multiple afferent nerve fibres simultaneously would improve the understanding of the neural population response to electrotactile stimuli. Moreover, the one-to-one neural response to electrotactile stimuli raised the question of whether an electrotactile stimulation based on a natural spike pattern could replicate the original sensation. A future study testing this hypothesis may find a new approach to designing painless electrotactile stimulations for sensory feedback use. === Sensorisk återkoppling har möjlighet att drastiskt förbättra många användningsområden, t.ex. genom att bidra till enklare kontroll av proteser och kirurgiska robotar, mer verklighetstrogna VR-spel, och minskade fantomsmärtor hos patienter med amputeringar. Elektrisk hudstimulering erbjuder ett kompakt, lätt, energisnålt, hög-responsivt och icke-invasivt alternativ för sensorisk återkoppling – dock framkallar denna metod ofta onaturliga och obehagliga förnimmelser för användaren. Detta examensarbete bemöter detta problem genom att undersöka effekten av stimuleringsparametrar som strömstyrka, pulsbredd, frekvens och vågform på försökspersonens upplevda förnimmelse samt den afferenta nervresponsen. Även relationen mellan förnimmelse och nervrespons analyserades. Examensarbetets ändamål var att skapa riktlinjer för att förenkla designen och användandet av elektrisk hudstimulering. Nervdata med matchande psykofysiska data samlades från en frisk försöksperson, samt enbart psykofysiska data från tre andra, under olika elektriska hudstimuleringar (med varierande parametervärden) på handens dorsala sida eller på underarmen. Signifikanta (p < 0.05) korrelationer och skillnader fanns i alla tre relationer mellan parametrarna för elektrisk hudstimulering, primärafferent respons och upplevd förnimmelse. Kontroll av ström (i synnerhet negativ) eller pulsbredd i monofasisk vågform visade sig vara mest fördelaktigt i applikationer där information kommuniceras till användaren genom att variera den upplevda intensiteten. Dock skapade denna vågform mer obehag, och bifasiska vågformer bedömdes mer passande då milda, lokala, och mer naturliga förnimmelser är av högre värde. Positiv ström upplevdes, förvånande, starkare än negativ. Vid låga värden på ström och pulsbredd var dessa faktorer viktiga gällande antalet aktionspotentialer (AP), men stimuleringsfrekvensen kunde kontrollera antalet AP vid alla frekvenser. Mängden AP var måttligt till starkt korrelaterad med upplevd intensitet – samtidigt kunde praktiskt taget identiska nervresponser vara kopplade till olika förnimmelser. Lågfrekvent stimulering med hög ström hade kortast latenstid, men högre risk för obehag. P.g.a. lågt antal försökspersoner är generaliserbarheten begränsad och detta examensarbete bör beaktas som en förstudie för att guida framtida forskning. Resultaten från denna studie antyder att en tydligare bild av populationsresponsen skulle kunna skapas genom samtidig läsning av ett flertal enskilda nervfibrer samtidigt. Det faktum att varje stimulering kunde ge upphov till en AP väckte frågan: kan ett stimuleringsmönster baserat på en naturlig nervrespons återskapa den ursprungliga förnimmelsen? En studie som testar denna hypotes har möjligheten att finna ett nytt tillvägagångssätt för att skapa smärtfri elektrisk hudstimulering för sensorisk återkoppling.