寧波材料所在腦卒中手部運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備研發(fā)方面取得進(jìn)展
我國腦卒中患者已超過1000萬人，每年新增病例約250萬，其中超過半數(shù)的患者存在手功能障礙。由于手部運(yùn)動(dòng)控制所映射的大腦皮層范圍較大，因此手功能的康復(fù)成為腦卒中后康復(fù)治療中亟待攻克的重點(diǎn)難題?，F(xiàn)有康復(fù)醫(yī)師數(shù)量匱乏，難以滿足日益增長的患者康復(fù)需求。隨著現(xiàn)代康復(fù)醫(yī)學(xué)的發(fā)展和工程技術(shù)的進(jìn)步，為了緩解康復(fù)治療師的作業(yè)壓力，手功能康復(fù)機(jī)器人技術(shù)得到廣泛關(guān)注，但是現(xiàn)有的主要手康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備僅能提供被動(dòng)訓(xùn)練模式，患者使用依從性較差且神經(jīng)功能康復(fù)效果較為有限。近期，通過與臨床康復(fù)醫(yī)師聯(lián)合攻關(guān)，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所所屬二級所先進(jìn)制造所的康復(fù)與輔助機(jī)器人技術(shù)團(tuán)隊(duì)完成了基于情景互動(dòng)的三自由度手腕運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)的樣機(jī)研制。
本項(xiàng)目面向腦卒中患者手部運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)的迫切需求，以手功能神經(jīng)康復(fù)的基礎(chǔ)研究為指導(dǎo)，通過專利分析與文獻(xiàn)調(diào)研，對比現(xiàn)有手部康復(fù)訓(xùn)練產(chǎn)品，針對手腕運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練開展新系統(tǒng)硬件與軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)，通過三自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與電機(jī)柔順控制算法研發(fā)，實(shí)現(xiàn)了用戶與訓(xùn)練機(jī)構(gòu)的安全交互及情景互動(dòng)，包含主動(dòng)與被動(dòng)兩種訓(xùn)練模式以及情景互動(dòng)游戲。手腕康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)的電機(jī)控制策略中包含基于無力傳感器技術(shù)的手腕主動(dòng)運(yùn)動(dòng)意圖識(shí)別算法與基于干擾觀測器的摩擦力補(bǔ)償技術(shù)。這套依據(jù)運(yùn)動(dòng)康復(fù)醫(yī)學(xué)關(guān)于手腕關(guān)節(jié)相關(guān)活動(dòng)范圍定義開發(fā)的符合人體工學(xué)的手腕功能康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，可滿足三自由度手部活動(dòng)范圍要求。其中，手部旋前運(yùn)動(dòng)范圍為0°～85°，旋后運(yùn)動(dòng)范圍為0°～90°，背伸與掌曲運(yùn)動(dòng)范圍為0°～85°，內(nèi)收運(yùn)動(dòng)范圍為0°～15°，外展運(yùn)動(dòng)范圍為0°～45°。三自由度手部運(yùn)動(dòng)速度范圍為0～10°/s。
運(yùn)動(dòng)意圖識(shí)別是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)神經(jīng)重塑的關(guān)鍵。我們的大腦是一臺(tái)預(yù)測儀器。人體運(yùn)動(dòng)意圖的本質(zhì)是降低預(yù)測誤差，比如駕駛過程是通過減少前方視點(diǎn)誤差操控方向盤。腦卒中等會(huì)引發(fā)患者肢體操控物體能力的降低，臨床治療師的作用可以理解為體會(huì)患者運(yùn)動(dòng)能力、彌補(bǔ)患者肢體運(yùn)動(dòng)誤差，幫助其完成康復(fù)任務(wù)?？祻?fù)機(jī)器人的作用是模擬治療師，“體會(huì)”患者運(yùn)動(dòng)意圖、幫助其降低預(yù)測誤差，從而使虛擬環(huán)境中的操控對象接近目標(biāo)位置，完成康復(fù)任務(wù)，最終達(dá)到激活受損神經(jīng)區(qū)域神經(jīng)元、重塑運(yùn)動(dòng)功能的目的。但即使是專業(yè)的治療師也難以完全感知患者意圖，何況運(yùn)動(dòng)意圖因人而異，因此難以實(shí)現(xiàn)患者與機(jī)器人之間精準(zhǔn)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制。
該項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)根據(jù)鏡像康復(fù)的動(dòng)作原理，將采集到的患者健側(cè)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，映射到幫助患側(cè)運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人末端軌跡。因?yàn)榻?cè)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)包含患者真實(shí)運(yùn)動(dòng)意圖信息，只需規(guī)范化好康復(fù)任務(wù)，結(jié)合患側(cè)的機(jī)器人控制，就可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的“思行合一”、提升神經(jīng)重塑的效果。這項(xiàng)技術(shù)暫稱為“人在環(huán)路智能化康復(fù)技術(shù)”，是本項(xiàng)目的核心技術(shù)，未來可望延伸到“混合增強(qiáng)智能”技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行進(jìn)一步深入研究。
本項(xiàng)目獲得中國科學(xué)院STS雙創(chuàng)引導(dǎo)項(xiàng)目資助。
腦卒中手部運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備設(shè)計(jì)應(yīng)用效果圖
腦卒中手部運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備樣機(jī)演示圖
（先進(jìn)制造所 左國坤，慈溪醫(yī)工所 施長城）