Skoltech的(de)研究人員設計了一種新(xin)的(de)方法，用于受傷或中風后的(de)腿部康復，該(gai)方法使用腦-機接口(kou)，并通過(guo)(guo)皮(pi)膚對脊柱進行電刺激。該(gai)方案結合了虛擬現實技術，通過(guo)(guo)重新(xin)建立運(yun)(yun)動和(he)意圖之(zhi)間的(de)聯系，癱瘓患者能(neng)夠重新(xin)控制下(xia)肢并掌握自然運(yun)(yun)動。

1 研究背(bei)景

全(quan)世(shi)界數百萬人因(yin)脊髓損傷(shang)和(he)中風而(er)出現感覺、運動(dong)或(huo)認知功(gong)能障礙。神(shen)(shen)經(jing)(jing)(jing)系統(tong)(tong)的(de)恢復有許多限制，使大多數傳統(tong)(tong)的(de)醫療方(fang)法無效。神(shen)(shen)經(jing)(jing)(jing)接口和(he)神(shen)(shen)經(jing)(jing)(jing)刺激技術(shu)等新的(de)神(shen)(shen)經(jing)(jing)(jing)技術(shu)可能會(hui)徹底改變神(shen)(shen)經(jing)(jing)(jing)疾(ji)病的(de)康(kang)復程序。該研究提出了(le)一(yi)種新的(de)方(fang)法來(lai)康(kang)復由(you)中風或(huo)脊髓損傷(shang)引起的(de)下肢損傷(shang)，并且(qie)開發了(le)一(yi)個(ge)帶有BCI系統(tong)(tong)和(he)獨特(te)機器(qi)人助(zhu)手(shou)的(de)虛擬(ni)環境(jing)。研究人員(yuan)通過臨(lin)床試驗展(zhan)示(shi)康(kang)復方(fang)法的(de)工作(zuo)原(yuan)型。

2 研究內容(rong)

研究方案：

中風(feng)后的(de)(de)(de)(de)患者(zhe)，以及在某種程度上經歷過脊髓(sui)創傷的(de)(de)(de)(de)患者(zhe)經常需要進行康(kang)復訓練(lian)，試(shi)圖(tu)重(zhong)新連接大(da)腦(nao)中移動(dong)(dong)患肢(zhi)的(de)(de)(de)(de)意圖(tu)和(he)實際的(de)(de)(de)(de)肌(ji)肉運動(dong)(dong)。該研究團隊(dui)設計(ji)了一(yi)(yi)個集以下(xia)所有功能于一(yi)(yi)身的(de)(de)(de)(de)訓練(lian)系(xi)統：一(yi)(yi)個虛擬現實耳機，它能促使患者(zhe)朝著虛擬目標發起(qi)腿(tui)部運動(dong)(dong)，并產生獨立運動(dong)(dong)的(de)(de)(de)(de)錯覺；一(yi)(yi)個神(shen)經接口，它能記錄患者(zhe)的(de)(de)(de)(de)運動(dong)(dong)意圖(tu)；一(yi)(yi)個機器人，由于我們自己的(de)(de)(de)(de)軟件，它能以自然的(de)(de)(de)(de)方式移動(dong)(dong)腿(tui)部和(he)脊髓(sui)的(de)(de)(de)(de)經皮(pi)電刺(ci)激(ji)，粗略地(di)說，這會放大(da)來自大(da)腦(nao)的(de)(de)(de)(de)信號。

1、腦(nao)機接口(kou)：神經(jing)(jing)接口(kou)是(shi)連接到神經(jing)(jing)系統、讀取和(he)解碼其活(huo)動(dong)并向外部輔助設(she)(she)備輸出(chu)信號的(de)(de)設(she)(she)備，如外骨骼和(he)假肢，在癱瘓時恢復活(huo)動(dong)能力(li)。大腦(nao)的(de)(de)可塑性(xing)在神經(jing)(jing)再生(sheng)中起著關鍵作(zuo)用(yong)。神經(jing)(jing)接口(kou)可用(yong)于協調與嘗試啟動(dong)自主運動(dong)相(xiang)關的(de)(de)神經(jing)(jing)元(yuan)活(huo)動(dong)和(he)由輔助設(she)(she)備工作(zuo)產生(sheng)的(de)(de)傳入信號。研究人(ren)員(yuan)設(she)(she)計了一個虛擬環境，要(yao)求人(ren)們預(yu)測癱瘓腿在目標瓷磚方向上的(de)(de)運動(dong)。腦(nao)電圖（EEG）在醫用(yong)級(ji)NVX-36放大器中注冊。BCI采用(yong)P300范(fan)式。

2、機(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)(qi)人(ren)輔助治療：下肢損傷的(de)(de)(de)(de)(de)(de)標準康復(fu)方案(an)依(yi)賴于醫(yi)生(sheng)進行的(de)(de)(de)(de)(de)(de)物理治療練(lian)習。這種(zhong)方法不(bu)允許(xu)BCI和腿部運(yun)動同步。研究人(ren)員開(kai)發了(le)一種(zhong)特殊的(de)(de)(de)(de)(de)(de)機(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)(qi)人(ren)，可(ke)以模(mo)仿自然(ran)行走模(mo)式(shi)移動患者(zhe)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)腿。KUKA LBR iiwa 14 R820（KUKA LBR-iiwa）機(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)(qi)人(ren)手(shou)臂(bei)(bei)使用(yong)KUKA的(de)(de)(de)(de)(de)(de)Sunrise Workbench平臺及其Java API編(bian)程(cheng)。該機(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)(qi)與人(ren)-機(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)(qi)人(ren)協作兼(jian)容，可(ke)以安全地用(yong)于人(ren)類(lei)康復(fu)過程(cheng)。KUKA LBR iiwa有(you)七個軸，每個關節都(dou)配有(you)扭矩傳(chuan)感器(qi)(qi)(qi)(qi)和位置(zhi)傳(chuan)感器(qi)(qi)(qi)(qi)。除了(le)機(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)(qi)人(ren)手(shou)臂(bei)(bei)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)位置(zhi)控制之外，傳(chuan)感器(qi)(qi)(qi)(qi)數據還允許(xu)阻(zu)抗控制。高精度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)傳(chuan)感器(qi)(qi)(qi)(qi)數據和高達1kHz的(de)(de)(de)(de)(de)(de)更新(xin)頻率使機(ji)(ji)器(qi)(qi)(qi)(qi)人(ren)能(neng)夠對(dui)處理力做出(chu)快(kuai)速(su)反應(ying)，并使其適合與人(ren)類(lei)交互。

3、經皮(pi)脊(ji)髓電刺(ci)激(ji)(ji)：經皮(pi)脊(ji)髓電刺(ci)激(ji)(ji)已(yi)在(zai)許(xu)多先前的(de)(de)研究(jiu)中顯示出較好的(de)(de)治療結果。tSCS是(shi)通過將(jiang)電極定位在(zai)椎骨T11-T12的(de)(de)棘突之(zhi)間(jian)、陽(yang)極（位于髂骨頂部上方）、頻率為30 Hz的(de)(de)雙極或單極脈沖（以5 Hz的(de)(de)頻率調(diao)制）來執行(xing)的(de)(de)。該刺(ci)激(ji)(ji)與機器人助(zhu)手(shou)進行(xing)的(de)(de)腿(tui)的(de)(de)運動同(tong)步施(shi)加。

訓練(lian)程(cheng)(cheng)序(xu)：康(kang)復訓練(lian)期間，患(huan)者躺(tang)在(zai)(zai)床上，癱瘓的(de)(de)(de)腿被(bei)(bei)放在(zai)(zai)KUKA LBR iiwa的(de)(de)(de)支(zhi)架上。患(huan)者使用(yong)(yong)虛(xu)(xu)擬(ni)現實耳(er)機(ji)，并在(zai)(zai)虛(xu)(xu)擬(ni)現實中(zhong)進(jin)行跨步(bu)練(lian)習。腦電正在(zai)(zai)被(bei)(bei)記錄和解碼(ma)以用(yong)(yong)于BCI應用(yong)(yong)。在(zai)(zai)虛(xu)(xu)擬(ni)現實中(zhong)患(huan)者觀察(cha)到自己站在(zai)(zai)一(yi)塊有六塊不同瓷磚的(de)(de)(de)地(di)板前，要求(qiu)患(huan)者踩其中(zhong)一(yi)個。為了進(jin)行運動(dong)，指(zhi)導患(huan)者將注意力集中(zhong)在(zai)(zai)所(suo)需的(de)(de)(de)瓷磚上并想象運動(dong)。一(yi)旦BCI檢(jian)測到患(huan)者的(de)(de)(de)意圖，機(ji)器人就會啟動(dong)運動(dong)程(cheng)(cheng)序(xu)。在(zai)(zai)虛(xu)(xu)擬(ni)現實中(zhong)，患(huan)者在(zai)(zai)沒有機(ji)器人輔助的(de)(de)(de)情況下(xia)觀察(cha)他(ta)的(de)(de)(de)腿在(zai)(zai)移動(dong)，此時應用(yong)(yong)tSCS，同步(bu)啟動(dong)與自主運動(dong)相關的(de)(de)(de)神經元活動(dong)和輔助設備工作產生的(de)(de)(de)傳入信號。

4 研究結論(lun)

本研究(jiu)提出(chu)了(le)一(yi)種新的(de)(de)下肢康復訓練方法(fa)，開(kai)發了(le)一(yi)種由BCI控制、促(cu)進(jin)癱瘓腿運動(dong)的(de)(de)機(ji)器(qi)人輔(fu)助(zhu)器(qi)具(ju)。該系統(tong)能夠同步與啟動(dong)自主運動(dong)的(de)(de)嘗試相關聯的(de)(de)神(shen)經元活(huo)動(dong)和由輔(fu)助(zhu)裝置的(de)(de)動(dong)作產(chan)生的(de)(de)傳入信號。為了(le)在這種鍛(duan)煉期間支持神(shen)經康復，應用經皮脊髓(sui)電刺(ci)激。多種技術的(de)(de)結(jie)合有望成為恢復中(zhong)風或脊髓(sui)損(sun)傷導致的(de)(de)下肢損(sun)傷的(de)(de)有效(xiao)方法(fa)。