6月2日在《健康報》上發(fā)表了一篇名為《康復(fù)機(jī)器人讓中風(fēng)患者不再“劃圈走”》的文章，文章報道了北京清華長庚醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科潘鈺主任團(tuán)隊和清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院洪波教授團(tuán)隊聯(lián)合研發(fā)的集腦電、肌電和眼動信號多模態(tài)足踝康復(fù)機(jī)器人，將讓患者的足踝和步行功能得到更高質(zhì)量的康復(fù)。文章引起讀者們的熱烈反響，現(xiàn)小編分享給大家，趕快一起學(xué)習(xí)一下吧！
原文呈現(xiàn)
患者正在利用多模態(tài)足踝康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行康復(fù)治療
在腦卒中（中風(fēng)）患者中，因足踝功能障礙而走路“劃圈”的患者不在少數(shù)。北京清華長庚醫(yī)院潘鈺主任團(tuán)隊和清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院洪波教授團(tuán)隊聯(lián)合研發(fā)的集腦電、肌電和眼動信號多模態(tài)足踝康復(fù)機(jī)器人，融合了人機(jī)交互、腦機(jī)接口、人-機(jī)-電融合與智能控制等關(guān)鍵技術(shù)，轉(zhuǎn)化應(yīng)用于臨床后，將讓這類患者的足踝和步行功能得到更高質(zhì)量的康復(fù)。
在人類的大腦皮層中，支配手和腳的神經(jīng)細(xì)胞分布最為廣泛，因而當(dāng)腦卒中等疾病發(fā)生后，患者手腳功能常常受累。腦卒中是導(dǎo)致殘疾的重大疾病之一。調(diào)查顯示，腦卒中后，80%的患者會出現(xiàn)步行和下肢功能障礙，部分患者康復(fù)療效不佳，這嚴(yán)重影響了患者的生活質(zhì)量。
相對于上肢運(yùn)動康復(fù)產(chǎn)品設(shè)備而言，目前研究發(fā)現(xiàn)的足踝康復(fù)器具設(shè)備較少。臨床常用的有足踝矯形器和功能性電刺激等。但由于足踝康復(fù)難度較高，這些方法普遍康復(fù)效率低、康復(fù)效果療效有限。發(fā)展新型康復(fù)治療技術(shù)以縮短康復(fù)療程和提高療效發(fā)展新型足踝功能康復(fù)治療技術(shù)以提高腦卒中康復(fù)療效，是全世界各國科學(xué)家的重要科學(xué)研究任務(wù)和目標(biāo)。
腦機(jī)接口足踝踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人全新的研發(fā)理念
眾所周知，人類我們的大腦非常嬌嫩，當(dāng)出現(xiàn)缺血缺氧等狀態(tài)時，腦細(xì)胞會在短時間內(nèi)快速死亡。然而我們的大腦也有一個應(yīng)對損傷的代償方式方式，當(dāng)一部分腦細(xì)胞死亡后，其他腦細(xì)胞會建立新的突觸連接，形成新的重建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對原有功能的代償。這就是人們常說的“大腦重塑”。
在腦卒中患者的康復(fù)治療中，以足踝康復(fù)為例，大量的外界刺激和康復(fù)治療，其目的不僅是讓足踝局部的肌肉、神經(jīng)恢復(fù)到正常狀態(tài)，更是希望借助把足踝的運(yùn)動反饋給大腦，促進(jìn)大腦對足踝相關(guān)運(yùn)動指揮功能的神經(jīng)重塑。畢竟發(fā)生功能障礙的“病根”在大腦。
然而通過足踝運(yùn)動和神經(jīng)反饋機(jī)制讓大腦重塑，這種“自下而上”的治療思路，康復(fù)周期長，治療效果也難不令人滿意。那么，有沒有可能從病根出發(fā)，直接促進(jìn)大腦重塑，進(jìn)而完成足踝功能的康復(fù)呢？
清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系洪波團(tuán)隊，多年來一直專注于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和腦機(jī)接口的研究，潘鈺教授提出這一全新的康復(fù)設(shè)想后，兩個團(tuán)隊一拍即合，在北京市自然科學(xué)基金-海淀聯(lián)合創(chuàng)新基金的支持下開始了合作研究。
要讓康復(fù)機(jī)器人“知道”患者“想動”
在這套康復(fù)系統(tǒng)研發(fā)中，最難的是要讓康復(fù)機(jī)器人“知道”患者“想動”。潘鈺教授介紹，在新的康復(fù)治療中，首先要訓(xùn)練患者努力想讓自己的足踝運(yùn)動，讓大腦重塑建立新的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)指揮足踝運(yùn)動。與此同時收集患者的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信號，通過腦機(jī)接口解讀后，傳遞給足踝康復(fù)外接機(jī)器人，由足踝康復(fù)機(jī)器人協(xié)助患者足踝運(yùn)動。經(jīng)過多次上百次反復(fù)重復(fù)操作訓(xùn)練后，大腦就實現(xiàn)了神經(jīng)功能重塑，腦卒中患者能更有效控制和支配癱瘓的足踝進(jìn)行運(yùn)動，完成偏癱足下垂康復(fù)，改善“劃圈”步態(tài)。
清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院洪波教授團(tuán)隊在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和腦機(jī)接口的研究方面，已經(jīng)積累了豐富經(jīng)驗。但在這項研究中，他們依然遇到了新的挑戰(zhàn)。在大腦中，下肢運(yùn)動皮層位置較深，踝關(guān)節(jié)運(yùn)動想象腦電信號強(qiáng)度弱，要想在眾多腦電信號中準(zhǔn)確捕捉到踝關(guān)節(jié)運(yùn)動想象信號非常困難，為此，團(tuán)隊反復(fù)摸索逐漸確立了踝關(guān)節(jié)運(yùn)動腦電信號解碼方法。其次，腦卒中患者因腦損傷病變位置大小不同，其腦電信號在康復(fù)過程中建立的代償機(jī)制，與正常人不同有一定差異，因而建立個體化腦機(jī)接口訓(xùn)練方案也是個挑戰(zhàn)。最后，高效解析足踝主動意圖信號，通過腦機(jī)接口準(zhǔn)確轉(zhuǎn)達(dá)給足踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人，實現(xiàn)良好的反饋是實現(xiàn)神經(jīng)功能重塑的關(guān)鍵技術(shù)。
北京清華長庚醫(yī)院潘鈺主任介紹，在整個康復(fù)系統(tǒng)建立的過程中， 康復(fù)設(shè)備開發(fā)環(huán)節(jié)由兩家科技公司 完成。一家主要負(fù)責(zé)多模態(tài)足踝康 復(fù)機(jī)器人開發(fā)和系統(tǒng)構(gòu)建，另一家完成腦機(jī)接口系統(tǒng)開發(fā)。最終，系統(tǒng)不僅可以通過腦電信號控制足踝 康復(fù)機(jī)器人，還可通過肌電和眼動信 號提供多信息互動反饋，融合多種人 體生理信息，構(gòu)建了新型人機(jī)交互康 復(fù)機(jī)器人訓(xùn)練平臺。
在這一系統(tǒng)的研發(fā)過程中，幾個 團(tuán)隊共同研發(fā)了支持無線互聯(lián)的足 踝康復(fù)機(jī)器人柔性動力的人機(jī)交互 組件，開發(fā)了足踝關(guān)節(jié)運(yùn)動功能實施 在線評定算法與軟件平臺，研發(fā)了可 穿戴式主動肌與拮抗肌雙通道生物 反饋模塊組件，建立了基于視覺跟蹤 的注意力與主動運(yùn)動意愿監(jiān)測硬件 平臺。
在便攜式腦電信號采集設(shè)備和 腦電信號無線傳輸技術(shù)方面，團(tuán)隊研 制了新型電極帽、便攜式無線腦電放 大器。完成了納米絲織電極設(shè)計，形成佩戴方便 、舒適度高 、信號質(zhì) 量好的新型電極帽。通過 WiFi 無線通信 技術(shù)，完成腦電信號的無線發(fā)送，并 實現(xiàn)了整合前端放大與無線信號傳 輸技術(shù)的便攜式腦電信號采集設(shè)備 研發(fā)。在踝足運(yùn)動意圖識別的腦機(jī) 接口數(shù)據(jù)模型方面，通過分類器設(shè) 計 、優(yōu)化訓(xùn)練策略及流程 ，實現(xiàn)了快速 、精準(zhǔn)運(yùn)動 意圖的識別 ，在線自適應(yīng)的特征提取和目標(biāo)檢測算法，正確 率達(dá)到 80%以上。
腦機(jī)接口踝足康復(fù)機(jī)器人給患者帶來更優(yōu)療效
腦機(jī)接口踝足康復(fù)機(jī)器人到底能 給患者康復(fù)帶來多少積極影響呢? 潘鈺主任表示，腦卒中后踝關(guān)節(jié)功能障 礙患者進(jìn)行腦機(jī)接口康復(fù)機(jī)器人輔助 訓(xùn)練后，下肢運(yùn)動功能及踝周肌肉力 量恢復(fù)明顯，實驗效果良好。
客觀評價顯示，腦機(jī)接口足踝康 復(fù)機(jī)器人可顯著改善患者踝關(guān)節(jié)主動關(guān)節(jié)活動度、背屈和跖屈肌力、下 肢功能評分、平衡功能和日常生活能 力。和傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練相比，腦機(jī)接口 足踝康復(fù)機(jī)器人訓(xùn)練進(jìn)一步改善了腦卒中患者足踝痙攣，提示新型康復(fù) 訓(xùn)練技術(shù)提高了患者神經(jīng)控制能力。前期研究還發(fā)現(xiàn)，對于發(fā)病早期 、具備良好言語和認(rèn)知功能 、能良好溝通和執(zhí)行訓(xùn)練的腦卒中患者，其神經(jīng)重塑機(jī)會會大大增多，通過 20 天的強(qiáng)化訓(xùn)練，足下垂和“劃圈”步態(tài)有效改善，不僅提高了康復(fù)療效，也縮短了康復(fù)治療時間，促進(jìn)患者早日回歸家庭和社會。
課題組通過功能磁共振和腦電圖定量研究發(fā)現(xiàn)，腦機(jī)接口足踝康復(fù)機(jī)器人實現(xiàn)了全腦網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)功能重塑， 進(jìn)一步證實了科學(xué)家們的科學(xué)假設(shè)， 為今后的臨床應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
今后，這一系列研究成果不僅能應(yīng)用到腦卒中 、脊髓損傷 、兒童腦癱等原因?qū)е碌淖沲坠δ苁芟藁颊呖祻?fù)中，腦機(jī)接口 、肌電和眼動反饋等技術(shù)還可應(yīng)用于認(rèn)知、語言、吞咽等 康復(fù)領(lǐng)域。下一步，除了努力推進(jìn)研 發(fā)成果向臨床轉(zhuǎn)化，團(tuán)隊還希望建立 和推廣腦機(jī)接口和康復(fù)機(jī)器人的標(biāo) 準(zhǔn)化治療方案和技術(shù)路徑，以便讓智 能康復(fù)技術(shù)規(guī)范化發(fā)展，并惠及更廣泛人群。
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