新闻链接：《健康报》第115660期 第6版

发布时间：2021-6-2

　　□本报记者郑颖璠

　　在人类的大脑皮层中，支配手和脚的神经细胞分布最为广泛。因而，当脑卒中等疾病发生后，患者手和脚的功能常常受累。脑卒中是致残的重大疾病之一。调查显示，脑卒中后，80%的患者会出现步行和下肢功能障碍，部分患者康复疗效不佳，严重影响生活质量。

　　相对于上肢运动康复设备而言，目前研发的足踝康复设备较少。临床常用的有足踝矫形器和功能性电刺激等。但由于足踝康复难度较高，这些方法康复效率低、康复疗效有限。发展新型足踝功能康复治疗技术以提高脑卒中康复疗效，是世界各国科学家的重要科学研究任务和目标。

　　脑机接口足踝康复机器人全新的研发理念

　　众所周知，人类的大脑非常娇嫩，当出现缺血缺氧时，脑细胞会在短时间内快速死亡。然而我们的大脑也有应对损伤的代偿方式，当一部分脑细胞死亡后，其他脑细胞会建立新的突触连接，重建神经网络，实现对原有功能的代偿。这就是人们常说的“大脑重塑”。

　　在脑卒中患者的康复治疗中，以足踝康复为例，大量的外界刺激和康复治疗，其目的不仅是让足踝局部的肌肉、神经恢复到正常状态，更是希望把足踝运动反馈给大脑，促进大脑对足踝运动指挥功能的神经重塑。毕竟发生功能障碍的“病根”在大脑。

　　然而通过足踝运动和神经反馈机制让大脑重塑，这种“自下而上”的治疗，康复周期长，治疗效果也难令人满意。那么，有没有可能从根源出发，直接促进大脑重塑，进而完成足踝功能的康复呢？

　　清华大学医学院生物医学工程系洪波团队，多年来一直专注于神经网络和脑机接口的研究，潘钰主任提出这一全新的康复设想后，两个团队一拍即合，在北京市自然科学基金-海淀联合创新基金的支持下开始了合作研究。

　　要让康复机器人“知道”患者“想动”

　　在这套康复系统研发中，最难的是要让康复机器人“知道”患者“想动”。潘钰介绍，在新的康复治疗中，首先要训练患者努力想让自己的足踝运动，让大脑重塑建立新的神经网络指挥足踝运动。与此同时，收集患者的神经网络信号，通过脑机接口解读后，传递给足踝康复机器人，由足踝康复机器人协助患者进行足踝运动。经过上百次重复训练后，大脑就实现了神经功能重塑，脑卒中患者就能更有效控制和支配瘫痪的足踝进行运动，完成偏瘫足下垂康复，改善“划圈”步态。

　　清华大学医学院洪波教授团队在神经网络和脑机接口研究方面，已经积累了丰富的经验。但在这项研究中，他们依然遇到了新的挑战。首先，在大脑中，下肢运动皮层位置较深，踝关节运动想象脑电信号强度弱，要想在众多脑电信号中准确捕捉到踝关节运动想象信号非常困难。为此，团队反复摸索，逐渐确立了踝关节运动脑电信号解码方法。其次，脑卒中患者因脑损伤病变位置大小不同，其脑电信号与正常人有一定差异，因而建立个体化脑机接口训练方案也是个挑战。最后，高效解析足踝主动意图信号，通过脑机接口准确传达给足踝康复机器人，实现良好反馈是实现神经功能重塑的关键技术，也是研发的难点之一。

　　北京清华长庚医院潘钰主任介绍，在整个康复系统建立的过程中，康复设备开发环节由两家科技公司完成。一家主要负责多模态足踝康复机器人开发和系统构建，另一家完成脑机接口系统开发。最终，系统不仅可以通过脑电信号控制足踝康复机器人，还可通过肌电和眼动信号提供多信息互动反馈，融合多种人体生理信息，构建了新型人机交互康复机器人训练平台。

　　在这一系统的研发过程中，几个团队共同研发了支持无线互联的足踝康复机器人柔性动力的人机交互组件，开发了足踝关节运动功能实施在线评定算法与软件平台，研发了可穿戴式主动肌与拮抗肌双通道生物反馈模块组件，建立了基于视觉跟踪的注意力与主动运动意愿监测硬件平台。

　　在便携式脑电信号采集设备和脑电信号无线传输技术方面，团队研制了新型电极帽、便携式无线脑电放大器。完成了纳米丝织电极设计，形成佩戴方便、舒适度高、信号质量好的新型电极帽。通过WiFi 无线通信技术，完成脑电信号的无线发送，并实现了整合前端放大与无线信号传输技术的便携式脑电信号采集设备研发。在踝足运动意图识别的脑机接口数据模型方面，通过分类器设计、优化训练策略及流程，实现了快速、精准运动意图的识别，在线自适应的特征提取和目标检测算法，正确率达到80%以上。

　　脑机接口踝足康复机器人给患者带来更优疗效

　　脑机接口踝足康复机器人到底能给患者康复带来多少积极影响呢？潘钰主任表示，脑卒中后踝关节功能障碍患者进行脑机接口康复机器人辅助训练后，下肢运动功能及踝周肌肉力量恢复明显，实验效果良好。

　　客观评价显示，脑机接口足踝康复机器人可显著改善患者踝关节主动关节活动度、背屈和跖屈肌力、下肢功能评分、平衡功能和日常生活能力。和传统康复训练相比，脑机接口足踝康复机器人训练进一步改善了脑卒中患者足踝痉挛，提示新型康复训练技术提高了患者神经控制能力。前期研究还发现，对于发病早期、具备良好言语和认知功能、能良好沟通和执行训练的脑卒中患者，其神经重塑机会会大大增多，通过20天的强化训练，足下垂和“划圈”步态有效改善，不仅提高了康复疗效，也缩短了康复治疗时间，促进患者早日回归家庭和社会。

　　课题组通过功能磁共振和脑电图定量研究发现，脑机接口足踝康复机器人实现了全脑网络神经功能重塑，进一步证实了科学家们的科学假设，为今后的临床应用奠定了基础。

　　今后，这一系列研究成果不仅能应用到脑卒中、脊髓损伤、儿童脑瘫等原因导致的足踝功能受限患者康复中，脑机接口、肌电和眼动反馈等技术还可应用于认知、语言、吞咽等康复领域。下一步，除了努力推进研发成果向临床转化，团队还希望建立和推广脑机接口和康复机器人的标准化治疗方案和技术路径，以便让智能康复技术规范化发展，并惠及更广泛人群。