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導(dǎo)    語

近日，浙江工業(yè)大學(xué)設(shè)計研究院的研究團隊在《IEEE JOURNAL OF TRANSLATIONAL ENGINEERING IN HEALTH AND MEDICINE》上發(fā)表了基于混合腦電控制的4自由度外骨骼的新研究。它采用Bowden線驅(qū)動，結(jié)合基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位（SSVEP）和運動想象（MI）的混合腦電控制方法，以促進主動康復(fù)和提供更多控制命令，為上肢康復(fù)注入了新的活力。

1、研究背景

隨著人口老齡化的趨勢日益明顯，中風(fēng)已成為導(dǎo)致殘疾的主要原因之一。盡管中風(fēng)死亡率有所下降，但中風(fēng)幸存者所面臨的康復(fù)挑戰(zhàn)卻日益嚴峻。傳統(tǒng)的康復(fù)方法，如人工治療或治療師輔助的練習(xí)，在應(yīng)對不斷增長的康復(fù)需求時顯得力不從心。相比之下，康復(fù)外骨骼憑借其高精度傳感器和生物醫(yī)學(xué)信號的應(yīng)用，如慣性測量單元、肌電圖信號和腦電圖信號等，能夠提供更穩(wěn)定、連續(xù)的康復(fù)支持，從而實現(xiàn)良好的控制性能和康復(fù)效果的跟蹤與評估。

然而，傳統(tǒng)的剛性外骨骼存在重量大、結(jié)構(gòu)尺寸大等問題，而軟體外骨骼則在便攜性、安全性和重量方面表現(xiàn)出優(yōu)勢。在與外骨骼相關(guān)的研究中，驅(qū)動方式的選擇至關(guān)重要，它決定了外骨骼的硬件特征、重量和便攜性。雖然目前的外骨骼在某些方面取得了進展，但在硬件結(jié)構(gòu)尺寸、驅(qū)動模塊布局、自由度數(shù)量和重量等方面仍有改進的空間。

此外，一些康復(fù)外骨骼讓患者處于被動角色，進行預(yù)設(shè)的重復(fù)運動，這可能限制康復(fù)效果。為了克服這一問題，研究人員致力于開發(fā)能促進用戶積極參與的外骨骼，以提高康復(fù)效果。神經(jīng)可塑性在神經(jīng)損傷后的恢復(fù)中起著關(guān)鍵作用，積極參與康復(fù)的患者更能促進神經(jīng)可塑性。因此，將神經(jīng)可塑性原則融入康復(fù)外骨骼的設(shè)計中，是一種積極有益的探索。

2、研究概述

基于功能化導(dǎo)電聚合物的設(shè)計，研究團隊設(shè)計了功能化聚苯胺基時序黏附水凝膠貼片。它可以實現(xiàn)心臟的同步機械生理監(jiān)測和電耦合治療，并牢固附著在心臟表面監(jiān)測心臟的機械運動和電活動。

研發(fā)的外骨骼旨在實現(xiàn)上肢四個關(guān)節(jié)（非拇指手指、手腕、肘部和肩部）的康復(fù)，同時確保驅(qū)動效果。具體目標(biāo)包括實現(xiàn)主動控制、具備多個自由度、舒適便攜且成本低廉。

外骨骼以尼龍襯衫面料為基礎(chǔ)載體，由帶子模塊、Bowden線驅(qū)動模塊和電子模塊三部分組成。帶子模塊使外骨骼緊密貼合用戶，提供尺寸調(diào)整空間，同時固定其他結(jié)構(gòu)。Bowden線驅(qū)動模塊通過參考肌肉位置和方向確定驅(qū)動位置和角度，實現(xiàn)四個關(guān)節(jié)的驅(qū)動。電子模塊集成了多種硬件，設(shè)置在3D打印的盒子中。

圖1：用于驅(qū)動肘關(guān)節(jié)的Bowden電纜結(jié)構(gòu)（圖片來自原文）

采用混合腦電控制方法，結(jié)合SSVEP和MI范式。SSVEP范式用于選擇康復(fù)運動，MI范式用于識別運動意圖。具體來說，在選擇步驟中，通過在電腦屏幕上呈現(xiàn)閃爍刺激程序，讓受試者注視代表不同康復(fù)運動的圖像，從而選擇運動，SSVEP信號通過MVMD和CCA進行識別。在識別步驟中，受試者根據(jù)選擇進行MI，CNN - LSTM模型對MI EEG信號進行分類，若判斷為右手MI，則將控制命令發(fā)送到Bowden線驅(qū)動模塊執(zhí)行運動。

圖2：基于腦電圖的混合控制方法（圖片來自原文）

圖3：CNN-LSTM模型的具體結(jié)構(gòu)（圖片來自原文）

9名健康研究生和3名中度中風(fēng)幸存者參與實驗。受試者佩戴連接到Biosemi采集設(shè)備的EEG帽，收集28通道數(shù)據(jù)。實驗要求受試者完成240次試驗，包括120次左手MI和120次右手MI。每次試驗持續(xù)8秒，4秒的MI EEG信號作為輸入樣本。通過訓(xùn)練CNN - LSTM模型，并與其他方法（CNN、LSTM、CSP + SVM）進行比較，結(jié)果表明CNN - LSTM模型在MI分類準(zhǔn)確率上具有優(yōu)勢。

受試者佩戴EEG帽和外骨骼，根據(jù)閃爍刺激程序的提示完成康復(fù)訓(xùn)練任務(wù)。每個運動隨機出現(xiàn)9次，共完成63個運動，每三個運動后有10秒休息間隔。實驗結(jié)果顯示，平均任務(wù)成功率為85.26%±1.95%。

圖4：在線控制實驗場景（圖片來自原文）

12名參與者（9名健康研究生和3名中度中風(fēng)幸存者）進行可用性評估，使用SUS問卷評估外骨骼的易用性和用戶體驗，平均SUS評分為81.25±5.82，表明外骨骼具有良好的可用性。4名中風(fēng)幸存者進行康復(fù)評估，在35天的康復(fù)訓(xùn)練中，記錄肌肉電信號（EMG）和關(guān)節(jié)活動度（ROM）。結(jié)果顯示，四個關(guān)節(jié)的平均ROM增加了10.33%，涉及運動的四個主要肌肉的平均EMG振幅增加了11.35%。

圖5：35天康復(fù)訓(xùn)練中所有受試者的關(guān)節(jié)活動度和平均EMG振幅的記錄（圖片來自原文）

3、研究意義

該外骨骼的4個自由度設(shè)計能夠讓用戶更多地參與到康復(fù)過程中，模擬人體肌肉骨骼系統(tǒng)的運動，提供更自然、流暢的康復(fù)任務(wù)，有助于改善康復(fù)效果?；旌夏X電控制方法的應(yīng)用為康復(fù)訓(xùn)練提供了更多的控制命令，促進了用戶的主動參與，能夠更好地激發(fā)患者的積極性，提高康復(fù)效果。這項研究充分考慮了神經(jīng)可塑性原則，將康復(fù)理論與康復(fù)設(shè)備相結(jié)合，為基于腦機接口的康復(fù)策略和硬件開發(fā)提供了新的思路和方法，有望推動康復(fù)領(lǐng)域的進一步發(fā)展。外骨骼在可用性和康復(fù)效果方面的表現(xiàn)，為中風(fēng)患者的康復(fù)帶來了新的希望，有助于提高他們的生活質(zhì)量，減輕家庭和社會的負擔(dān)。

參考文獻：Zhichuan Tang, Zhixuan Cui, Hang Wang, Pengcheng Liu, Member, IEEE, Xuan Xu, Keshuai Yang, “A 4-DOF Exosuit Using a Hybrid EEG-Based Control Approach for Upper-Limb Rehabilitation”, in IEEE Journal of Translational Engineering in Health and Medicine, (3 September 2024), DOI 10.1109/JTEHM.2024.3454077