基于脑-机-肌信息环路的卒中助行康复机器人基础理论与关键技术

Stroke is a common disease with high incidence severely threatening the health of human beings. The technology of stroke rehabilitation has become a new research focus in worldwide, especially China. Meanwhile, the mechanism of brain plasticity rehabilitation has also developed into a researching hotspot of neuroscience. Aiming at the problem that the existing stroke rehabilitation methods cannot implement subjectively induced brain-machine-muscle coordinating action effectively, this project provides a profound research about the neural information fusion mechanism of brain plasticity in stroke rehabilitation and develops new rehabilitation technology for machine-electricity assisted-walking combining functional electrical stimulation and mechanical exoskeleton. Close-loop information model of brain-machine-muscle synergistic interaction towards neural rehabilitation robot will be built based on advanced technologies of brain-computer interface. By detecting and analyzing the plasticity changes based on the brain function connection and the cortico-muscular coherence., this project will explore the key solutions to which can enhance tightness of close-loop human-machine information interaction and effect of neural plasticity inducement, and improve the rehabilitation effect of patients’ brain-machine-muscle coordinative function. In addition, objective rehabilitation evaluation standards will be established. This project will provide scientific basis and practical model for in-depth investigation of central neural plasticity rehabilitation mechanism. Furthermore, it will also provide key technologies for developing the brain-machine-muscle synergistic interaction for assisted-walking rehabilitation robot with multi-function such as intelligent control and security monitoring.

脑卒中是严重危害人类生命健康的常见高发病。探索新型康复治疗机理与方法已成为世界范围，尤其是我国关注的焦点。而大脑可塑性的康复机制研究亦成为当前神经科学研究前沿热点。课题拟针对现有康复训练无法有效实现主观意愿诱导脑-肌协同运动的难题，深入研究脑可塑性在卒中康复中的神经信息融合机制并结合功能性电刺激、机械外骨骼技术新手段，开发机-电助行康复新方法；依托脑-机接口前沿技术建立面向助行康复神经机器人的脑-机-肌协同交互信息环路模型；开展基于脑功能网络、脑-肌电相干性的可塑性变化检测与分析研究，探索提高人机信息交互紧密性与中枢神经可塑性诱导功效的关键措施，增强患者脑-机-肌协同助行的功能康复效果，建立新型康复评价的客观标准。本研究将为推进中枢神经可塑性康复机制深入研究提供新的科学依据和实用模型，并为研制具有智能控制、安全监护等多功能的新型脑-机-肌协同助行康复机器人系统奠定关键技术基础。

本课题按照原定研究计划，针对现有康复训练无法有效实现主观意愿诱导脑-肌协同运动的难题，围绕紧密型脑-机-肌协同交互信息环路模型，在面向高性能人-机交互系统的脑-机交互、肌-机交互、脑-肌交互等方面深入开展了复杂神经信息检测识别与外部机器设备反馈调控的系统研究，重点完成了以下工作：新型脑-机接口范式及其编、解码技术研究：1）提出了基于序列性复合肢体想象动作、运动想象与电刺激复合、不同等级力量运动想象的新型脑-机接口范式，设计新型视觉脑-机接口范式，揭示了外界刺激的物理属性是ERP 神经机制模型中的重要影响因素，有效推动非眼动依赖型BCI的发展；2）康复机器人机-电智能联合技术及其稳定性研究：揭示了神经肌肉电刺激（NMES）下RF肌肉厚度与膝关节角度之间的密切关系，开展了基于运动学参数和脑电信号的下肢动作模式识别方法研究，同时创新开发了以FES刺激穿戴者肌肉运动为驱动力的FES-Exo系统；3）神经可塑性康复评价方法研究：探索基于静息态fMRI的动态功能网络连接特性与评价方法，开展丘脑卒中患者的EEG复杂性与功能连通性的研究，探索基于超声检测的肌肉功能评价方法；4）依托本课题组的研究工作基础，研发了世界首套在轨脑-机交互及脑力负荷、视功能等神经工效测试系统，实现了国际上首次在轨进行了脑-机交互技术空间适应性测试。同时，课题组获批天津市人才发展特殊支持团队，获2016年天津市技术发明一等奖、2016年天津市专利金奖、2017年黄家驷生物医学工程奖、2017年中国专利优秀奖等多项荣誉。目前课题已发表期刊论文23 篇，会议论文4 篇，其中SCI 检索国外期刊论文16 篇（一区2 篇，二区9 篇，三区2 篇，四区3篇），EI检索论文7 篇。本课题研究期间申请国家发明专利18项。在培养研究生和青年教师方面，通过本基金课题的实施，5名博士生和12名硕士生毕业。