機器人+腦機接口+VR+經皮脊髓電刺激的下肢康複新方法

Skoltech的研究人員設計了一種新的方法，用於受傷或中風後的腿部康複，該方法使用腦-機接口，並通過皮膚對脊柱進行電刺激。該方案結合了虛擬現實技術，通過重新建立運動和意圖之間的聯係，癱瘓患者能夠重新控製下肢並掌握自然運動。

1 研究背景

全世界數百萬人因脊髓損傷和中風而出現感覺、運動或認知功能障礙。神經係統的恢複有許多限製，使大多數傳統的醫療方法無效。神經接口和神經刺激技術等新的神經技術可能會徹底改變神經疾病的康複程序。該研究提出了一種新的方法來康複由中風或脊髓損傷引起的下肢損傷，並且開發了一個帶有BCI係統和獨特機器人助手的虛擬環境。研究人員通過臨床試驗展示康複方法的工作原型。

2 研究內容

研究方案：

中風後的患者，以及在某種程度上經曆過脊髓創傷的患者經常需要進行康複訓練，試圖重新連接大腦中移動患肢的意圖和實際的肌肉運動。該研究團隊設計了一個集以下所有功能於一身的訓練係統：一個虛擬現實耳機，它能促使患者朝著虛擬目標發起腿部運動，並產生獨立運動的錯覺；一個神經接口，它能記錄患者的運動意圖；一個機器人，由於我們自己的軟件，它能以自然的方式移動腿部和脊髓的經皮電刺激，粗略地說，這會放大來自大腦的信號。

1、腦機接口：神經接口是連接到神經係統、讀取和解碼其活動並向外部輔助設備輸出信號的設備，如外骨骼和假肢，在癱瘓時恢複活動能力。大腦的可塑性在神經再生中起著關鍵作用。神經接口可用於協調與嚐試啟動自主運動相關的神經元活動和由輔助設備工作產生的傳入信號。研究人員設計了一個虛擬環境，要求人們預測癱瘓腿在目標瓷磚方向上的運動。腦電圖（EEG）在醫用級NVX-36放大器中注冊。BCI采用P300範式。

2、機器人輔助治療：下肢損傷的標準康複方案依賴於醫生進行的物理治療練習。這種方法不允許BCI和腿部運動同步。研究人員開發了一種特殊的機器人，可以模仿自然行走模式移動患者的腿。KUKA LBR iiwa 14 R820（KUKA LBR-iiwa）機器人手臂使用KUKA的Sunrise Workbench平台及其Java API編程。該機器與人-機器人協作兼容，可以安全地用於人類康複過程。KUKA LBR iiwa有七個軸，每個關節都配有扭矩傳感器和位置傳感器。除了機器人手臂的位置控製之外，傳感器數據還允許阻抗控製。高精度的傳感器數據和高達1kHz的更新頻率使機器人能夠對處理力做出快速反應，並使其適合與人類交互。

3、經皮脊髓電刺激：經皮脊髓電刺激已在許多先前的研究中顯示出較好的治療結果。tSCS是通過將電極定位在椎骨T11-T12的棘突之間、陽極（位於髂骨頂部上方）、頻率為30 Hz的雙極或單極脈衝（以5 Hz的頻率調製）來執行的。該刺激與機器人助手進行的腿的運動同步施加。

訓練程序：康複訓練期間，患者躺在床上，癱瘓的腿被放在KUKA LBR iiwa的支架上。患者使用虛擬現實耳機，並在虛擬現實中進行跨步練習。腦電正在被記錄和解碼以用於BCI應用。在虛擬現實中患者觀察到自己站在一塊有六塊不同瓷磚的地板前，要求患者踩其中一個。為了進行運動，指導患者將注意力集中在所需的瓷磚上並想象運動。一旦BCI檢測到患者的意圖，機器人就會啟動運動程序。在虛擬現實中，患者在沒有機器人輔助的情況下觀察他的腿在移動，此時應用tSCS，同步啟動與自主運動相關的神經元活動和輔助設備工作產生的傳入信號。

4 研究結論

本研究提出了一種新的下肢康複訓練方法，開發了一種由BCI控製、促進癱瘓腿運動的機器人輔助器具。該係統能夠同步與啟動自主運動的嚐試相關聯的神經元活動和由輔助裝置的動作產生的傳入信號。為了在這種鍛煉期間支持神經康複，應用經皮脊髓電刺激。多種技術的結合有望成為恢複中風或脊髓損傷導致的下肢損傷的有效方法。