機器人+腦機接口+VR+經(jīng)皮脊髓電刺激的下肢康復新方法

Skoltech的研究人員設(shè)計了一種新的方法，用于受傷或中風后的腿部康復，該方法使用腦-機接口，并通過皮膚對脊柱進行電刺激。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動。

1 研究背景

全世界數(shù)百萬人因脊髓損傷和中風而出現(xiàn)感覺、運動或認知功能障礙。神經(jīng)系統(tǒng)的恢復有許多限制，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)疾病的康復程序。該研究提出了一種新的方法來康復由中風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)和獨特機器人助手的虛擬環(huán)境。研究人員通過臨床試驗展示康復方法的工作原型。

2 研究內(nèi)容

研究方案：

中風后的患者，以及在某種程度上經(jīng)歷過脊髓創(chuàng)傷的患者經(jīng)常需要進行康復訓練，試圖重新連接大腦中移動患肢的意圖和實際的肌肉運動。該研究團隊設(shè)計了一個集以下所有功能于一身的訓練系統(tǒng)：一個虛擬現(xiàn)實耳機，它能促使患者朝著虛擬目標發(fā)起腿部運動，并產(chǎn)生獨立運動的錯覺；一個神經(jīng)接口，它能記錄患者的運動意圖；一個機器人，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，要求人們預測癱瘓腿在目標瓷磚方向上的運動。腦電圖（EEG）在醫(yī)用級NVX-36放大器中注冊。BCI采用P300范式。

2、機器人輔助治療：下肢損傷的標準康復方案依賴于醫(yī)生進行的物理治療練習。這種方法不允許BCI和腿部運動同步。研究人員開發(fā)了一種特殊的機器人，可以模仿自然行走模式移動患者的腿。KUKA LBR iiwa 14 R820（KUKA LBR-iiwa）機器人手臂使用KUKA的Sunrise Workbench平臺及其Java API編程。該機器與人-機器人協(xié)作兼容，可以安全地用于人類康復過程。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1kHz的更新頻率使機器人能夠?qū)μ幚砹ψ龀隹焖俜磻�，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。該刺激與機器人助手進行的腿的運動同步施加。

訓練程序：康復訓練期間，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，并在虛擬現(xiàn)實中進行跨步練習。腦電正在被記錄和解碼以用于BCI應用。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。為了進行運動，指導患者將注意力集中在所需的瓷磚上并想象運動。一旦BCI檢測到患者的意圖，機器人就會啟動運動程序。在虛擬現(xiàn)實中，患者在沒有機器人輔助的情況下觀察他的腿在移動，此時應用tSCS，同步啟動與自主運動相關(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訓練方法，開發(fā)了一種由BCI控制、促進癱瘓腿運動的機器人輔助器具。該系統(tǒng)能夠同步與啟動自主運動的嘗試相關(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，應用經(jīng)皮脊髓電刺激。多種技術(shù)的結(jié)合有望成為恢復中風或脊髓損傷導致的下肢損傷的有效方法。