腦卒中手部運動功能康復訓練設備研發獲進展

　　我國腦卒中患者已超過1000萬人，每年新增病例約250萬，其中超過半數的患者存在手功能障礙。由于手部運動控制所映射的大腦皮層范圍較大，因此手功能的康復成為腦卒中后康復治療中亟待攻克的重點難題。現有康復醫師數量匱乏，難以滿足日益增長的患者康復需求。隨著現代康復醫學的發展和工程技術的進步，為了緩解康復治療師的作業壓力，手功能康復機器人技術得到廣泛關注，但是現有的主要手康復訓練設備僅能提供被動訓練模式，患者使用依從性較差且神經功能康復效果較為有限。近期，通過與臨床康復醫師聯合攻關，中國科學院寧波材料技術與工程研究所所屬先進制造所的康復與輔助機器人技術團隊完成了基于情景互動的三自由度手腕運動功能康復訓練系統的樣機研制。

　　該項目面向腦卒中患者手部運動功能康復的迫切需求，以手功能神經康復的基礎研究為指導，通過ZL分析與文獻調研，對比現有手部康復訓練產品，針對手腕運動康復訓練開展新系統硬件與軟件架構設計，通過三自由度運動機構優化設計與電機柔順控制算法研發，實現了用戶與訓練機構的安全交互及情景互動，包含主動與被動兩種訓練模式以及情景互動游戲。手腕康復訓練系統的電機控制策略中包含基于無力傳感器技術的手腕主動運動意圖識別算法與基于干擾觀測器的摩擦力補償技術。這套依據運動康復醫學關于手腕關節相關活動范圍定義開發的符合人體工學的手腕功能康復訓練系統，可滿足三自由度手部活動范圍要求。其中，手部旋前運動范圍為0°～85°，旋后運動范圍為0°～90°，背伸與掌曲運動范圍為0°～85°，內收運動范圍為0°～15°，外展運動范圍為0°～45°。三自由度手部運動速度范圍為0～10°/s。

　　運動意圖識別是實現精準神經重塑的關鍵。我們的大腦是一臺預測儀器。人體運動意圖的本質是降低預測誤差，比如駕駛過程是通過減少前方視點誤差操控方向盤。腦卒中等會引發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患者運動能力、彌補患者肢體運動誤差，幫助其完成康復任務。康復機器人的作用是模擬治療師，“體會”患者運動意圖、幫助其降低預測誤差，從而使虛擬環境中的操控對象接近目標位置，完成康復任務，最終達到激活受損神經區域神經元、重塑運動功能的目的。但即使是專業的治療師也難以完全感知患者意圖，何況運動意圖因人而異，因此難以實現患者與機器人之間精準的協調運動控制。

　　該項目團隊根據鏡像康復的動作原理，將采集到的患者健側運動數據，映射到幫助患側運動的機器人末端軌跡。因為健側運動數據包含患者真實運動意圖信息，只需規范化好康復任務，結合患側的機器人控制，就可以實現精準的“思行合一”、提升神經重塑的效果。這項技術暫稱為“人在環路智能化康復技術”，是該項目的核心技術，未來可望延伸到“混合增強智能”技術領域進行進一步深入研究。

　　該項目獲得中科院STS雙創引導項目資助，并于近期在中國科技網“人工智能”版塊以《這個醫用機器人不簡單，可讓受損神經功能自動修復》為題發表科技專訪，中科院科技產業網以“專家解讀”的形式進行了轉載。