面向病理性震颤的生机电一体化辅助式抑震技术研究

Assistive technology is one of the important treatments for pathological tremor, which includes robotic exoskeleton and functional electrical stimulation (FES). However, the two methods work independently, and have some limitations respectively, which make assistive technology is far from clinical application at present. This project will combine the two methods, and explore the scientific basis of biomechatronics for assistive tremor suppression. The objective is to attenuate pathological tremor of upper limb and hand with multiple degrees of freedom. This research will be conducted based on technical theories and scientific experiments. The following issues will be investigated: synergic control strategy for exoskeleton and FES, multiple-source signal processing of human-machine interface, selectivity of muscle stimulation using electrode array, and nerve block technology based on surface electrical stimulation. Three key problems are expected to be solved: real-time closed-loop control of tremor suppression, harmonic control of different actuators (electrical machine vs. skeletal muscle), and stimulation selectivity of multiple targeted muscles. Wearable exoskeleton, human-machine interface and FES system will be designed and integrated towards a demonstration system of tremor suppression with "sensing-control-actuation" function, which can exhibit the key achievements obtained. Meanwhile, a large-scale clinical experiment towards translational medicine will be conducted to test and evaluate the performance of the prototype. A solid foundation for clinical application will be laid through this study.

病理性震颤治疗的一种重要手段是辅助式抑震技术，目前主要包括机器人外骨骼和功能性电刺激，但这两种方法各自有一些局限性，而且各自为战，导致了目前辅助式抑震技术远没有走向临床应用。本项目将融合这两种技术,探索抑震技术的生机电一体化科学基础，期望能实现上肢及手部多自由度的病理性震颤抑制。项目将从理论技术与科学实验两个方面开展研究。主要研究外骨骼与电刺激的协调控制机制，基于生机接口的多源信息处理技术，基于电极阵列的肌肉选择性刺激方法,以及基于表面电刺激的神经阻断技术。拟解决实时闭环抑震控制，不同类型驱动器（电机vs.肌肉）的协调控制，以及多目标肌肉的刺激选择性三个关键问题。集成设计穿戴式的外骨骼、生机接口、电刺激模块，形成具有"传感-控制-驱动"的生机电一体化抑震演示系统，展示核心研究成果。同时开展基于转化医学的大范围临床测试与评估, 为辅助式抑制技术走向临床应用打下基础。

本项目针对病理性震颤的辅助式抑震技术开展了研究，包括机器人外骨骼和电刺激技术。主要研究内容包括：高频电刺激的神经阻断建模分析（仿真建模），病理性震颤的量化评估（信息处理），电刺激与外骨骼的融合控制（控制算法），生机电一体化穿戴式的外骨骼样机（机电装置、工程实验），经颅电刺激抑制病理性震颤（医学实验）。重要的研究结果包括：1）通过仿真实验探寻了1KHz‐10KHz 高频正弦电刺激的阻断效果。发现了不仅刺激的频率有影响，刺激强度的大小也会影响阻断效果。2）提出了一种能够稳定量化震颤的患者姿势，改善了震颤信号的量化区分性。在50多位震颤患者上进行了实验测试，对帕金森震颤和原发性震颤的区分正确率96%，灵敏度92%。3）基于磁流变液设计了半主动控制的腕部震颤抑制外骨骼，该样机在健康人上的测试结果表明可以抑制90%的震颤幅度。基于直线电机，设计了刚性连杆以及柔性指套相结合的手部抑制震颤外骨骼，样机已经完成。4）完成了高密度阵列式电刺激系统的设计，改进了柔性电极，可以实现对手指的精确控制。项目完成了第一代样机及电极的制备和穿戴式的系统设计。5）探索了经颅电刺激技术对帕金森震颤的抑制作用，考察了四种不同刺激配置（伪刺激、阳极刺激、阴极刺激、双侧刺激），在15位帕金森患者上进行了实验测试，发现双侧对称的经颅直流电刺激效果最好，能够平衡两侧脑区的皮质活性，进而有可能抑制病理性震颤。6）依托本项目研发的软体康复机器人手套已经开始产业化。针对震颤抑制，本项目在理论分析、系统研发、临床测试开展了全方位的研究，取得了丰硕的成果, 为辅助式抑制震颤技术（外骨骼和电刺激）走向实际应用打下了基础。