Skoltech的研究人員設計了一種新的方法，用于受傷或中風(fēng)后的腿部康復，該方法使用腦-機接口，并通過(guò)皮膚對脊柱進(jìn)行電刺激。該方案結合了虛擬現實(shí)技術(shù)，通過(guò)重新建立運動(dòng)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(dòng)。

1 研究背景

全世界數百萬(wàn)人因脊髓損傷和中風(fēng)而出現感覺(jué)、運動(dòng)或認知功能障礙。神經(jīng)系統的恢復有許多限制，使大多數傳統的醫療方法無(wú)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(huì )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(lái)康復由中風(fēng)或脊髓損傷引起的下肢損傷，并且開(kāi)發(fā)了一個(gè)帶有BCI系統和d特機器人助手的虛擬環(huán)境。研究人員通過(guò)臨床試驗展示康復方法的工作原型。

2 研究?jì)热?

研究方案：

中風(fēng)后的患者，以及在某種程度上經(jīng)歷過(guò)脊髓創(chuàng )傷的患者經(jīng)常需要進(jìn)行康復訓練，試圖重新連接大腦中移動(dòng)患肢的意圖和實(shí)際的肌肉運動(dòng)。該研究團隊設計了一個(gè)集以下所有功能于一身的訓練系統：一個(gè)虛擬現實(shí)耳機，它能促使患者朝著(zhù)虛擬目標發(fā)起腿部運動(dòng)，并產(chǎn)生d立運動(dòng)的錯覺(jué)；一個(gè)神經(jīng)接口，它能記錄患者的運動(dòng)意圖；一個(gè)機器人，由于我們自己的軟件，它能以自然的方式移動(dòng)腿部和脊髓的經(jīng)皮電刺激，粗略地說(shuō)，這會(huì )放大來(lái)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、讀取和解碼其活動(dòng)并向外部輔助設備輸出信號的設備，如外骨骼和假肢，在癱瘓時(shí)恢復活動(dòng)能力。大腦的可塑性在神經(jīng)再生中起著(zhù)關(guān)鍵作用。神經(jīng)接口可用于協(xié)調與嘗試啟動(dòng)自主運動(dòng)相關(guān)的神經(jīng)元活動(dòng)和由輔助設備工作產(chǎn)生的傳入信號。研究人員設計了一個(gè)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(dòng)。腦電圖（EEG）在醫用JNVX-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(lài)于醫生進(jìn)行的物理治療練習。這種方法不允許BCI和腿部運動(dòng)同步。研究人員開(kāi)發(fā)了一種特殊的機器人，可以模仿自然行走模式移動(dòng)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(lèi)康復過(guò)程。KUKA LBR iiwa有七個(gè)軸，每個(gè)關(guān)節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，傳感器數據還允許阻抗控制。G精度的傳感器數據和G達1kHz的更新頻率使機器人能夠對處理力做出快速反應，并使其適合與人類(lèi)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果。tSCS是通過(guò)將電J定位在椎骨T11-T12的棘突之間、陽(yáng)J（位于髂骨D部上方）、頻率為30 Hz的雙J或單J脈沖（以5 Hz的頻率調制）來(lái)執行的。該刺激與機器人助手進(jìn)行的腿的運動(dòng)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現實(shí)耳機，并在虛擬現實(shí)中進(jìn)行跨步練習。腦電正在被記錄和解碼以用于BCI應用。在虛擬現實(shí)中患者觀(guān)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(gè)。為了進(jìn)行運動(dòng)，指導患者將注意力集中在所需的瓷磚上并想象運動(dòng)。一旦BCI檢測到患者的意圖，機器人就會(huì )啟動(dòng)運動(dòng)程序。在虛擬現實(shí)中，患者在沒(méi)有機器人輔助的情況下觀(guān)察他的腿在移動(dòng)，此時(shí)應用tSCS，同步啟動(dòng)與自主運動(dòng)相關(guān)的神經(jīng)元活動(dòng)和輔助設備工作產(chǎn)生的傳入信號。

4 研究結論

本研究提出了一種新的下肢康復訓練方法，開(kāi)發(fā)了一種由BCI控制、促進(jìn)癱瘓腿運動(dòng)的機器人輔助器具。該系統能夠同步與啟動(dòng)自主運動(dòng)的嘗試相關(guān)聯(lián)的神經(jīng)元活動(dòng)和由輔助裝置的動(dòng)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)的結合有望成為恢復中風(fēng)或脊髓損傷導致的下肢損傷的有效方法。