機(jī)器人+腦機(jī)接口+VR+經(jīng)皮脊髓電刺激的下肢康復(fù)新方法

Skoltech的研究人員設(shè)計了一種新的方法，用于受傷或中風(fēng)后的腿部康復(fù)，該方法使用腦-機(jī)接口，并通過皮膚對脊柱進(jìn)行電刺激。該方案結(jié)合了虛擬現(xiàn)實技術(shù)，通過重新建立運(yùn)動和意圖之間的聯(lián)系，癱瘓患者能夠重新控制下肢并掌握自然運(yùn)動。

1 研究背景

全世界數(shù)百萬人因脊髓損傷和中風(fēng)而出現(xiàn)感覺、運(yùn)動或認(rèn)知功能障礙。神經(jīng)系統(tǒng)的恢復(fù)有許多限制，使大多數(shù)傳統(tǒng)的醫(yī)療方法無效。神經(jīng)接口和神經(jīng)刺激技術(shù)等新的神經(jīng)技術(shù)可能會徹底改變神經(jīng)疾病的康復(fù)程序。該研究提出了一種新的方法來康復(fù)由中風(fēng)或脊髓損傷引起的下肢損傷，并且開發(fā)了一個帶有BCI系統(tǒng)和獨(dú)特機(jī)器人助手的虛擬環(huán)境。研究人員通過臨床試驗展示康復(fù)方法的工作原型。

2 研究內(nèi)容

研究方案：

中風(fēng)后的患者，以及在某種程度上經(jīng)歷過脊髓創(chuàng)傷的患者經(jīng)常需要進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，試圖重新連接大腦中移動患肢的意圖和實際的肌肉運(yùn)動。該研究團(tuán)隊設(shè)計了一個集以下所有功能于一身的訓(xùn)練系統(tǒng)：一個虛擬現(xiàn)實耳機(jī)，它能促使患者朝著虛擬目標(biāo)發(fā)起腿部運(yùn)動，并產(chǎn)生獨(dú)立運(yùn)動的錯覺；一個神經(jīng)接口，它能記錄患者的運(yùn)動意圖；一個機(jī)器人，由于我們自己的軟件，它能以自然的方式移動腿部和脊髓的經(jīng)皮電刺激，粗略地說，這會放大來自大腦的信號。

1、腦機(jī)接口：神經(jīng)接口是連接到神經(jīng)系統(tǒng)、讀取和解碼其活動并向外部輔助設(shè)備輸出信號的設(shè)備，如外骨骼和假肢，在癱瘓時恢復(fù)活動能力。大腦的可塑性在神經(jīng)再生中起著關(guān)鍵作用。神經(jīng)接口可用于協(xié)調(diào)與嘗試啟動自主運(yùn)動相關(guān)的神經(jīng)元活動和由輔助設(shè)備工作產(chǎn)生的傳入信號。研究人員設(shè)計了一個虛擬環(huán)境，要求人們預(yù)測癱瘓腿在目標(biāo)瓷磚方向上的運(yùn)動。腦電圖（EEG）在醫(yī)用級NVX-36放大器中注冊。BCI采用P300范式。

2、機(jī)器人輔助治療：下肢損傷的標(biāo)準(zhǔn)康復(fù)方案依賴于醫(yī)生進(jìn)行的物理治療練習(xí)。這種方法不允許BCI和腿部運(yùn)動同步。研究人員開發(fā)了一種特殊的機(jī)器人，可以模仿自然行走模式移動患者的腿。KUKA LBR iiwa 14 R820（KUKA LBR-iiwa）機(jī)器人手臂使用KUKA的Sunrise Workbench平臺及其Java API編程。該機(jī)器與人-機(jī)器人協(xié)作兼容，可以安全地用于人類康復(fù)過程。KUKA LBR iiwa有七個軸，每個關(guān)節(jié)都配有扭矩傳感器和位置傳感器。除了機(jī)器人手臂的位置控制之外，傳感器數(shù)據(jù)還允許阻抗控制。高精度的傳感器數(shù)據(jù)和高達(dá)1kHz的更新頻率使機(jī)器人能夠?qū)μ幚砹ψ龀隹焖俜磻?yīng)，并使其適合與人類交互。

3、經(jīng)皮脊髓電刺激：經(jīng)皮脊髓電刺激已在許多先前的研究中顯示出較好的治療結(jié)果。tSCS是通過將電極定位在椎骨T11-T12的棘突之間、陽極（位于髂骨頂部上方）、頻率為30 Hz的雙極或單極脈沖（以5 Hz的頻率調(diào)制）來執(zhí)行的。該刺激與機(jī)器人助手進(jìn)行的腿的運(yùn)動同步施加。

訓(xùn)練程序：康復(fù)訓(xùn)練期間，患者躺在床上，癱瘓的腿被放在KUKA LBR iiwa的支架上�；颊呤褂锰摂M現(xiàn)實耳機(jī)，并在虛擬現(xiàn)實中進(jìn)行跨步練習(xí)。腦電正在被記錄和解碼以用于BCI應(yīng)用。在虛擬現(xiàn)實中患者觀察到自己站在一塊有六塊不同瓷磚的地板前，要求患者踩其中一個。為了進(jìn)行運(yùn)動，指導(dǎo)患者將注意力集中在所需的瓷磚上并想象運(yùn)動。一旦BCI檢測到患者的意圖，機(jī)器人就會啟動運(yùn)動程序。在虛擬現(xiàn)實中，患者在沒有機(jī)器人輔助的情況下觀察他的腿在移動，此時應(yīng)用tSCS，同步啟動與自主運(yùn)動相關(guān)的神經(jīng)元活動和輔助設(shè)備工作產(chǎn)生的傳入信號。

4 研究結(jié)論

本研究提出了一種新的下肢康復(fù)訓(xùn)練方法，開發(fā)了一種由BCI控制、促進(jìn)癱瘓腿運(yùn)動的機(jī)器人輔助器具。該系統(tǒng)能夠同步與啟動自主運(yùn)動的嘗試相關(guān)聯(lián)的神經(jīng)元活動和由輔助裝置的動作產(chǎn)生的傳入信號。為了在這種鍛煉期間支持神經(jīng)康復(fù)，應(yīng)用經(jīng)皮脊髓電刺激。多種技術(shù)的結(jié)合有望成為恢復(fù)中風(fēng)或脊髓損傷導(dǎo)致的下肢損傷的有效方法。