寧波材料所在“思行合一”神經(jīng)重塑技術(shù)體系研究方面取得進(jìn)展
康復(fù)機(jī)器人是一種典型的人機(jī)交互系統(tǒng)。關(guān)于康復(fù)機(jī)器人的研究已積累了大量關(guān)于機(jī)器人結(jié)構(gòu)、智能控制等與“機(jī)”相關(guān)的技術(shù)成果，但缺少對于“人”特別是“患者”相關(guān)的人體特性研究。康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)的智能化研究不僅是機(jī)器人的“人工智能”，還應(yīng)該包括對系統(tǒng)中“人”的“生命智能”的研究?？祻?fù)機(jī)器人系統(tǒng)的服務(wù)主體是神經(jīng)損傷患者，深入開展以人為中心的研究是一件歸本溯源的工作，也是創(chuàng)新機(jī)器人輔助康復(fù)技術(shù)的依據(jù)和基礎(chǔ)。因此，如何深入理解人體運(yùn)動學(xué)習(xí)影響因素并發(fā)展新型機(jī)器人輔助康復(fù)理論和訓(xùn)練策略是該領(lǐng)域面臨的重大挑戰(zhàn)。
中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所所屬慈溪生物醫(yī)學(xué)工程研究所運(yùn)動康復(fù)與醫(yī)用機(jī)器人技術(shù)團(tuán)隊主要圍繞腦卒中與神經(jīng)退行性疾病等引發(fā)的運(yùn)動、認(rèn)知、言語等功能障礙，開展神經(jīng)重塑與功能康復(fù)技術(shù)的研究與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，包括從認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)角度開展以功能重建為目的信息-認(rèn)知-行為即“思行合一”康復(fù)機(jī)制的基礎(chǔ)性研究。
科研團(tuán)隊通過視、聽、觸力覺等多感覺虛擬現(xiàn)實康復(fù)訓(xùn)練、多模態(tài)人體運(yùn)動意圖識別、人機(jī)協(xié)調(diào)與柔順控制等多項“思行合一”神經(jīng)重塑關(guān)鍵技術(shù)的深入研究與系統(tǒng)集成，為神經(jīng)損傷疾?。ㄈ缒X卒中等）患者提供大量的、可重復(fù)的、功能導(dǎo)向性康復(fù)訓(xùn)練與在線功能評估系統(tǒng)，幫助患者重塑大腦皮層功能、恢復(fù)肢體或言語功能。
針對思行合一機(jī)制的基礎(chǔ)研究，團(tuán)隊自主研發(fā)了可定制的“多感覺融合”虛擬現(xiàn)實與“按需輔助”康復(fù)機(jī)器人訓(xùn)練平臺，配備了專業(yè)的人體姿勢捕捉與運(yùn)動特性分析、腦肌電采集與分析、近紅外腦功能成像等科研設(shè)備，為開展多感覺融合誘導(dǎo)下認(rèn)知-運(yùn)動功能的變化規(guī)律與“康復(fù)”影響因素研究提供有力支撐。提出了基于人機(jī)交互做功估計與自適應(yīng)衰減因子的康復(fù)機(jī)器人控制新策略，合理利用獎懲機(jī)制動態(tài)調(diào)整機(jī)器人輔助策略以激發(fā)用戶主動康復(fù)的意愿與潛能（如圖1所示）。（《中國康復(fù)醫(yī)學(xué)》, 2021, 采用；International Journal of Advanced Robotic Systems, 2020, 17(5)；《生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志》, 2020,37(1):129-135；《中國康復(fù)理論與實踐》, 2019, 25(2):217-223.）
在解決臨床需求方面，針對卒中患者運(yùn)動與認(rèn)知功能障礙康復(fù)，團(tuán)隊自主研發(fā)了“運(yùn)動意圖識別與主動康復(fù)”關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)品——末端牽引式上肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)。在獲得的1200萬元天使基金的資助下，積極開展技術(shù)轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化，項目產(chǎn)品在全國三甲醫(yī)院開展多中心臨床試驗研究，結(jié)果表明“思行合一”主動康復(fù)技術(shù)可替代傳統(tǒng)人工康復(fù)（《華西醫(yī)學(xué)》，2020, 35(5):563-567.）。該產(chǎn)品已于2021年1月15日獲得CFDA第二類醫(yī)療器械注冊認(rèn)證證書。
針對神經(jīng)退行性疾病患者的行走失衡與凍結(jié)步態(tài)癥狀，團(tuán)隊通過對起步運(yùn)動中視覺誘導(dǎo)的神經(jīng)調(diào)控機(jī)制的研究，發(fā)現(xiàn)了節(jié)律性視覺引導(dǎo)可以促進(jìn)步態(tài)的規(guī)整化，進(jìn)而有望改善凍結(jié)步態(tài)的規(guī)律（如圖2所示），在此基礎(chǔ)上開發(fā)了面向凍結(jié)步態(tài)癥狀緩解的增強(qiáng)現(xiàn)實眼鏡系統(tǒng)，其初步效果得到了多家醫(yī)院的臨床驗證，約對70%的患者有癥狀改善的效果。團(tuán)隊正在開展神經(jīng)信號特征與調(diào)控機(jī)制研究（Neuroscience Letters, 2021, accepted），初步的研究表明，凍結(jié)步態(tài)的發(fā)生與患者認(rèn)知資源的不足有關(guān)，這為開發(fā)此類疾病的“思行合一”主動康復(fù)技術(shù)、改善患者生活質(zhì)量提供了基礎(chǔ)。
以上研究獲得了中科院STS雙創(chuàng)引導(dǎo)專項（KFJ-STS-SCYD-11）、浙江省重點(diǎn)研發(fā)計劃（2019C03090）、寧波市社發(fā)科技重大專項（2016C11021）等項目的支持。
圖1 “按需輔助”康復(fù)機(jī)器人控制策略的效果驗證與定量化上肢功能評估技術(shù)應(yīng)用。（a）基于使用者“做功”能力的機(jī)器人交互力矩估算；（b）基于交互特性的上肢功能評估與基于肌電的功能評估的對比驗證；（c）基于遺忘因子自適應(yīng)衰減的“按需輔助”及其在手部康復(fù)機(jī)器人中的應(yīng)用；（d）不同獎懲因子條件下的上肢運(yùn)動能力特性
圖2 基于多導(dǎo)腦電波的特征電位檢測試驗表明節(jié)律性視覺提示可明顯降低人體步行啟動過程的認(rèn)知負(fù)荷
(慈溪醫(yī)工所 左國坤 施長城)