概述
足部的触觉在提供地面信息方面发挥着重要作用。足部感知到的触觉在站立时会根据地面条件而不同，因此足部触觉的呈现对于营造沉浸式虚拟现实体验至关重要。本研究提出一种多电极踝部神经束电刺激方法，通过在踝关节放置电极产生足底与足背表面触觉的分布，并采用有限元仿真验证电极放置的有效性。
模拟
图像处理
获取基于 MRI/CT 扫描数据获得的包含超过 1200 个部位的实体 3D 男性模型，导入 Simpleware 软件进行图像处理。在 Simpleware ScanIP 模块，通过裁剪仅保留右下肢区域，使用 Paint 和布尔运算工具填充原模型中存在的非自然间隙。将血管内部的填充空隙定义为血液域，皮肤表面内的其他空隙则为内部组织域。在 Simpleware CAD 模块，将 24 个阴极与 3 个阳极放置在皮肤上。下肢模型中共包含 9 个不同的域，即电极、神经、软骨、血液、血管、肌肉、骨骼、皮肤及内部组织。在 Simpleware FE 模块，同时为以上部位生成高质量的四面体体积网格模型（含四面体单元 2118555 个），设置以 NASTRAN 格式导出。
将网格模型导入 COMSOL 软件，使用 AC/DC 模块计算电流密度分布。边界条件：（1）向阳极暴露表面施加内向电流（2）将阴极暴露表面设为接地（3）其余所有外表面均视为绝缘体（4）根据每个电极的外表面尺寸，将各电极的内向电流密度定义为合适值以提供 3.0 mA 的电流值。
模拟结果
在电刺激条件①、②和⑫下，沿踝关节前侧走行的腓神经在三条神经束中呈现最高的电流密度值。在条件③-⑦下，沿踝关节内侧走行的胫神经具有最高的电流密度值。在条件⑧-⑪下，沿踝关节外侧走行的腓肠神经显示出最高的电流密度值。
对支配足底与足背区域的神经束进行刺激，主要受刺激的神经束随电刺激条件的不同而变化，这表明所提出的方法可能选择性地在足底和足背表面的特定区域诱发触觉。在不同电刺激条件下，每个神经束获得的电流密度分布也不相同。
用户研究
在实验中，21 名参与者使用三种 VR 康复内容进行桌面伸展康复训练。随后，比较每种情况下的康复持续时间。通过改变电刺激强度（2.0 mA、2.5 mA）和刺激部位（条件①-⑫）研究触觉感知区域和最大触觉点。
触觉感知发生率
在条件①、⑤、⑧、⑪、⑫下表现出强烈的触觉，采用 2.5 mA 电刺激时的触觉感知发生率更高。
触觉感知区域
在条件①、⑪、⑫下，足背表面的触觉感知发生率较高；在条件⑤、⑥、⑧下，足底表面的触觉感知发生率较高。
最大触觉感知点的分布
对触觉感知发生率相对较高的条件①、⑤、⑥、⑧、⑪、⑫进行分析。条件①、⑪、⑫下的最大触觉感知点分布在足背表面前侧区域，条件⑤、⑥在足底表面内侧，条件⑧在足底表面后外侧区域。
总结
本研究提出一种踝部神经束电刺激方法，将电极放置于踝关节周围，从而在足底与足背表面呈现触觉。采用有限元模拟研究下肢的电流密度分布以验证电极放置的有效性，通过用户研究验证该方法诱发触觉感知的实际效果。结果表明，该方法能够选择性地在足底与足背的特定区域呈现触觉。
参考
- Ota T, Amemiya T, Kuzuoka H, et al. Electrical Stimulation of Nerve Bundles in the Lower Leg Generates Tactile Sensations on the Plantar and Dorsal Foot[J]. IEEE Access, 2024.