新聞鏈接：《健康報》第115660期 第6版
發(fā)布時間：2021-6-2
□本報記者鄭穎璠
在人類的大腦皮層中，支配手和腳的神經細胞分布最為廣泛。因而，當腦卒中等疾病發(fā)生后，患者手和腳的功能常常受累。腦卒中是致殘的重大疾病之一。調查顯示，腦卒中后，80%的患者會出現(xiàn)步行和下肢功能障礙，部分患者康復療效不佳，嚴重影響生活質量。
相對于上肢運動康復設備而言，目前研發(fā)的足踝康復設備較少。臨床常用的有足踝矯形器和功能性電刺激等。但由于足踝康復難度較高，這些方法康復效率低、康復療效有限。發(fā)展新型足踝功能康復治療技術以提高腦卒中康復療效，是世界各國科學家的重要科學研究任務和目標。
腦機接口足踝康復機器人全新的研發(fā)理念
眾所周知，人類的大腦非常嬌嫩，當出現(xiàn)缺血缺氧時，腦細胞會在短時間內快速死亡。然而我們的大腦也有應對損傷的代償方式，當一部分腦細胞死亡后，其他腦細胞會建立新的突觸連接，重建神經網絡，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治療中，以足踝康復為例，大量的外界刺激和康復治療，其目的不僅是讓足踝局部的肌肉、神經恢復到正常狀態(tài)，更是希望把足踝運動反饋給大腦，促進大腦對足踝運動指揮功能的神經重塑。畢竟發(fā)生功能障礙的“病根”在大腦。
然而通過足踝運動和神經反饋機制讓大腦重塑，這種“自下而上”的治療，康復周期長，治療效果也難令人滿意。那么，有沒有可能從根源出發(fā)，直接促進大腦重塑，進而完成足踝功能的康復呢？
清華大學醫(yī)學院生物醫(yī)學工程系洪波團隊，多年來一直專注于神經網絡和腦機接口的研究，潘鈺主任提出這一全新的康復設想后，兩個團隊一拍即合，在北京市自然科學基金-海淀聯(lián)合創(chuàng)新基金的支持下開始了合作研究。
要讓康復機器人“知道”患者“想動”
在這套康復系統(tǒng)研發(fā)中，最難的是要讓康復機器人“知道”患者“想動”。潘鈺介紹，在新的康復治療中，首先要訓練患者努力想讓自己的足踝運動，讓大腦重塑建立新的神經網絡指揮足踝運動。與此同時，收集患者的神經網絡信號，通過腦機接口解讀后，傳遞給足踝康復機器人，由足踝康復機器人協(xié)助患者進行足踝運動。經過上百次重復訓練后，大腦就實現(xiàn)了神經功能重塑，腦卒中患者就能更有效控制和支配癱瘓的足踝進行運動，完成偏癱足下垂康復，改善“劃圈”步態(tài)。
清華大學醫(yī)學院洪波教授團隊在神經網絡和腦機接口研究方面，已經積累了豐富的經驗。但在這項研究中，他們依然遇到了新的挑戰(zhàn)。首先，在大腦中，下肢運動皮層位置較深，踝關節(jié)運動想象腦電信號強度弱，要想在眾多腦電信號中準確捕捉到踝關節(jié)運動想象信號非常困難。為此，團隊反復摸索，逐漸確立了踝關節(jié)運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，其腦電信號與正常人有一定差異，因而建立個體化腦機接口訓練方案也是個挑戰(zhàn)。最后，高效解析足踝主動意圖信號，通過腦機接口準確傳達給足踝康復機器人，實現(xiàn)良好反饋是實現(xiàn)神經功能重塑的關鍵技術，也是研發(fā)的難點之一。
北京清華長庚醫(yī)院潘鈺主任介紹，在整個康復系統(tǒng)建立的過程中，康復設備開發(fā)環(huán)節(jié)由兩家科技公司完成。一家主要負責多模態(tài)足踝康復機器人開發(fā)和系統(tǒng)構建，另一家完成腦機接口系統(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機器人，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，構建了新型人機交互康復機器人訓練平臺。
在這一系統(tǒng)的研發(fā)過程中，幾個團隊共同研發(fā)了支持無線互聯(lián)的足踝康復機器人柔性動力的人機交互組件，開發(fā)了足踝關節(jié)運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動意愿監(jiān)測硬件平臺。
在便攜式腦電信號采集設備和腦電信號無線傳輸技術方面，團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計，形成佩戴方便、舒適度高、信號質量好的新型電極帽。通過WiFi 無線通信技術，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的便攜式腦電信號采集設備研發(fā)。在踝足運動意圖識別的腦機接口數(shù)據模型方面，通過分類器設計、優(yōu)化訓練策略及流程，實現(xiàn)了快速、精準運動意圖的識別，在線自適應的特征提取和目標檢測算法，正確率達到80%以上。
腦機接口踝足康復機器人給患者帶來更優(yōu)療效
腦機接口踝足康復機器人到底能給患者康復帶來多少積極影響呢？潘鈺主任表示，腦卒中后踝關節(jié)功能障礙患者進行腦機接口康復機器人輔助訓練后，下肢運動功能及踝周肌肉力量恢復明顯，實驗效果良好。
客觀評價顯示，腦機接口足踝康復機器人可顯著改善患者踝關節(jié)主動關節(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)康復訓練相比，腦機接口足踝康復機器人訓練進一步改善了腦卒中患者足踝痙攣，提示新型康復訓練技術提高了患者神經控制能力。前期研究還發(fā)現(xiàn)，對于發(fā)病早期、具備良好言語和認知功能、能良好溝通和執(zhí)行訓練的腦卒中患者，其神經重塑機會會大大增多，通過20天的強化訓練，足下垂和“劃圈”步態(tài)有效改善，不僅提高了康復療效，也縮短了康復治療時間，促進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)，腦機接口足踝康復機器人實現(xiàn)了全腦網絡神經功能重塑，進一步證實了科學家們的科學假設，為今后的臨床應用奠定了基礎。
今后，這一系列研究成果不僅能應用到腦卒中、脊髓損傷、兒童腦癱等原因導致的足踝功能受限患者康復中，腦機接口、肌電和眼動反饋等技術還可應用于認知、語言、吞咽等康復領域。下一步，除了努力推進研發(fā)成果向臨床轉化，團隊還希望建立和推廣腦機接口和康復機器人的標準化治療方案和技術路徑，以便讓智能康復技術規(guī)范化發(fā)展，并惠及更廣泛人群。
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