人体运动功能辅助系统的多模物理刺激强化诱导与可塑性康复基础研究

Stroke is a common disease with high incidence severely threatening the health of human beings as well as a primary factor leading to human disability. The investigation of novel walk-aid rehabilitation technology and development of motion function auxiliary system have become new research focus in worldwide, especially in China. Meanwhile, the mirror neuron and mechanism of brain plasticity rehabilitation have also developed into a researching hotspot of neuroscience. Aiming at the problem that traditional rehabilitation training cannot implement reinforcement of motor function through multi-methods, this project attempts to develop new walk-aid method with musculoskeletal dynamics combining functional electrical stimulation, mechanical exoskeleton and walking-aid technology. Besides, this project provides a profound research on the neural mechanism of mirror neuron system in stroke rehabilitation and builds inducing model of multi-modality physical stimulation facing brain-computer-muscle-skeleton frame combining with transcranial electrical and magnetic stimulation technology. This project will also investigate the mirror neuron and plasticity analysis based on EEG and fMRI technology, explore key measures of strengthening mirror neuron activation and effect of neural plasticity inducement, and establish objective rehabilitation evaluation standards. 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 a novel intelligent motion function auxiliary system with multi-function.

脑卒中是严重危害社会健康的常见疾病，也是引起成人残疾的首要因素。探索新型运动康复技术、开发运动辅助新设备已成为世界范围，尤其是我国关注的焦点。而镜像神经元和大脑可塑性康复机制研究亦成为当前神经科学研究的前沿热点。课题拟针对传统康复训练无法有效实现多手段协同强化诱导运动功能的难题，结合功能性电刺激、机械外骨骼及助行辅具技术手段，开发肌骨动力助行新方法；深入研究镜像神经元系统在卒中康复中的神经机制，并结合经颅电磁刺激前沿技术建立面向脑-机-肌-骨框架的多模物理刺激协同诱导模型；开展基于脑电和核磁成像技术的镜像神经元及可塑性分析研究，探索强化镜像神经元激活特性与中枢神经可塑性诱导功效的关键措施，建立新型康复评价客观标准。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，并为研制多功能融合的新型智能化运动功能辅助系统奠定关键技术基础。

本项目按照原定研究计划，针对传统康复训练无法有效实现多手段协同强化诱导运动功能的难题，提出了面向自然交互的高性能脑-机接口编解码方法，构建了多模物理刺激强化诱导模型，挖掘了客观康复功能评估指标，开发了面向卒中康复的辅助助行神经康复机器人系统及关键部件。重点完成了以下工作：1）神经信号编解码方法研究：发明了精辨识、快通讯和高指令的高性能反应式脑-机接口编解码方法，三项指标到达国际最高水平；设计了多肢体、多信源、多用户协同的运动意图范式，实现了面向全肢体的大指令运动意图解码。2）多模态物理刺激调控训练方法与康复评价标准研究：提出了基于视、触觉的运动神经反馈调控训练方法，融合EEG与NIRS特征显著优化了调控模型的交互信息耦合效果；探究并验证了MI-BCI-FES条件闭环训练强化大脑激活特性的优势。发现并提出了基于神经生理特征的运动功能、平衡功能以及感觉功能评价方法；构建了面向上肢运动功能评价以及转弯步态稳定性评估的运动学参数评价指标，提高康复评估精度。3）康复辅助机器人系统研究：自主研制了便携式多功能数字脑电图机、便携式多通道功能性电刺激器，开发了一款新型下肢康复外骨骼，获国家二类医疗器械注册证1项。依托本项目的研究工作，推出了我国首个脑-机接口领域综合性开源软件平台MetaBCI，研发拥有完全自主知识产权的全球首款脑-机接口专用芯片“脑语者”，获“2020年度中国机器人科学引领奖”，入选国家“十三五”科技创新成就展。本项目共发表文章100篇，其中SCI论文42篇（ESI高被引2篇，TBME封面及高亮文章）。申报国家发明专利35项，授权8项，PCT专利2项。主编了中国首部神经工程领域著作《神经工程学》，被列入全国工程专业学位研究生教育国家级规划教材。获中国专利优秀奖（2017）、中国机器人科学引领奖（2020）、英国物理学会高被引文章奖（2021）、第二届转化医学创新奖等荣誉。项目共培养6名博士后、30名研究生，项目组成员获国家杰出、“万人计划”专家、国家优青等。