中风患者的康复助手
2018-08-08   中科院之声

我国已经进入了老龄化社会,据统计,截至2017年末,我国60岁及以上老年人口已达2.41 亿,占总人口的17.8%,而这个比例还在不断上升。而随着人口老龄化进程的加速,我国心脑血管疾病危险因素流行趋势明显。


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其中,脑卒中,也就是俗称“中风”的患者已超过1600万人,每年新增病例约250万,每年死于脑卒中的患者约为188万,抢救回来的幸运患者也存在一定程度的后遗症。其中,绝大多数脑卒中幸存患者存在肢体运动功能障碍。比如,上下肢偏瘫等等。


因此,对于中风患者的康复治疗来说,肢体运动功能康复是非常重要,也是有效的康复方式。


但是,目前我国的康复医师数量匮乏,难以满足日益增长的患者康复需求。既然人手不够,那我们是不是可以考虑让机器人来担负起康复的任务呢?


已经有科学家研制出了不同类型的康复机器人,而且相对于人类医师来说,它们的优势非常明显。


第一,不怕累,它们可以提供全天候标准化任务导向性的运动训练辅助服务;


第二,脾气好,它们可以不知疲惫地提供标准化康复训练服务;


第三,它们可以采集患者的运动、认知、言语等状态数据,然后进行分析后能提供定量化的康复评估与趋势分析,从而可以最大限度激发患者主动康复意愿。


看完这几条,你是不是想到了一个憨态可掬的形象?


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是的,就是《超能陆战队》中的大白。它就是一个可以提供医疗帮助的医疗机器人。不过,今天我们要介绍的康复机器人,并不是真正具有人形的“机器人”,而更多地像健身房里的健身辅助器械,为患者提供被动、助动、抗阻、主动的康复训练。


志愿者在进行末端牵引式康复机器人产品的互动训练体验


这些康复机器人系统的运动机构是根据神经康复医学理论,针对神经损伤患者肢体康复训练需求精心设计的,同时还要考虑训练的有效性与安全性。


康复机器人一般按照康复训练部位大致分为上肢、下肢以及手部康复机器人。


上肢康复机器人主要是帮助患者训练肩、肘关节并实现生活自理相关的运动功能,例如穿衣服、漱口与喝水等。下肢康复机器人主要帮助患者实现自主步行与动静态平衡功能。而手部康复机器人主要训练手腕与手指的多个关节。


由于手部运动形式复杂,精细化程度高,手部康复机器人是最为复杂以及最具技术挑战性的康复机器人系统。


中风患者由于神经损伤使得其大脑无法正常控制肢体运动,如同一支军队,大脑好比其司令部,肢体就如部队里的士兵,司令部被捣毁了,士兵们也就六神无主,乱成一锅粥。患者要重新恢复大脑对于肢体的运动控制功能,也就是康复医学上常讲的“神经功能重塑”,必须在康复医师的指导下进行大量重复的功能导向性的康复训练逐步恢复,基本原理与小孩子从小学习自己拿勺子吃饭或者拿笔写字类似,需要大量反复训练才能实现。


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康复机器人是医学与工程学交叉融合的典型技术。其中,患者肢体运动意图识别是实现精准神经功能重塑的关键。


我们的大脑是一台预测仪器。人体运动意图的本质是降低预测误差,比如驾驶过程是通过减少前方视点误差操控方向盘。康复治疗师可以体会患者运动能力、弥补患者肢体运动误差,帮助其完成康复任务。


康复机器人的作用是模拟治疗师,“体会”患者运动意图、帮助其降低预测误差,从而完成康复任务,最终达到激活神经元、重塑运动功能的目的。然而,完全感知患者运动意图是极具挑战的,因此实现患者与机器人之间精准的协调运动控制是亟待攻克的关键技术。


研发团队根据镜像康复的动作原理,将采集到的患者健侧(正常一侧肢体)运动数据,映射到帮助患侧运动的机器人末端轨迹。因为健侧运动数据包含患者真实运动意图信息,只需规范化康复任务,结合患侧的机器人控制,就可以实现精准的“思行合一”,提升神经重塑的效果。


这项技术为“人在环路智能化康复技术”,是团队神经康复机器人核心技术之一,未来可延伸到“混合增强智能”技术领域开展深入研究。相信在不久的将来,这项技术能真正走进更多中风患者的家中,实实在在地为更多的中风患者提供康复服务。

 

来源:中国科学院宁波材料技术与工程研究所


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