面向手部康复的运动神经解码方法及运动辅助机器人研究

The existing hand rehabilitation systems cannot perceive the movement intentions of patients; the parameters of functional electrical stimulation cannot be determined adaptively; the effectiveness of rehabilitation haven’t been quantified and the rehabilitation procedure is without monitoring. The recognition of sEMG can provide quantified evidence for the rehabilitation. However, it may be not feasible to use multiple sEMG electrodes in cases where the bulky size of the electrodes exceeds the limited area of muscles. Hence, in this study, we propose a robot-assisted hand rehabilitation system consisting of rehabilitation robot and the functional electrical stimulation. This system is based on motor neurons decoding method derived from the decomposition of single channel of surface electromyography. Furthermore, the parameters of functional electrical stimulation are determined adaptively with the model of sEMG-movement; a real time evaluation for rehabilitation efficacy is presented to predict the rehabilitation trend for patients and a safe control mode is built based on the monitoring of sEMG. The proposed method will be verified with the rehabilitation platform established in this project, and a clinical experiment will be implemented in the cooperating hospital, too.

目前手部康复设备存在着不能高效感知患者运动意图、功能电刺激(FES)缺乏个性化生理依据、康复效果无法量化评估、康复过程缺乏生理监控等问题。高精度表面肌电信号(sEMG)识别，可以为康复医疗提供量化依据；但是，由于手部肌肉群面积有限，难以实现多通道高精度sEMG测量，这已成为制约其用于手部康复的瓶颈问题。本项目提出基于单通道sEMG分解的运动神经解码方法，提高单通道sEMG识别精度；并以此为基础，分别构建患者健、患侧手部sEMG-运动映射模型。基于该模型深入研究患者手部功能缺失程度与FES治疗参数之间的关系，建立具有患者个体适应性的FES参数自适应调整策略，以及康复效果量化评估体系。同时，提出基于sEMG精确识别监测的康复设备安全控制方法，避免由于康复运动轨迹不当、力/力矩过度，对患者造成的二次伤害。本项目将建立手部康复实验平台，对所提方法开展实验研究及验证；并与相关医院合作开展临床实验研究

目前手部康复设备存在着不能高效感知患者运动意图、功能电刺激(FES)缺乏个性化生理依据、康复效果无法量化评估、康复过程缺乏生理监控等问题。高精度表面肌电信号(sEMG)识别，可以为康复医疗提供量化依据；但是，由于手部肌肉群面积有限，难以实现多通道高精度sEMG测量，这已成为制约其用于手部康复的瓶颈问题。.针对这些问题与困难，本项目主要完成了以下几个方面：1）基于单通道sEMG分解的运动神经解码及运动意图识别方法，实验结果表明，这种方法优于传统方法，其需要依赖于多通道肌电信号，2）提出一种基于运动神经元发放特征分析的康复疗效量化评估方法，将有益于医生和病人，3）提出了基于sEMG精确识别检测的康复设备安全控制方法，并于手部康复系统进行交互控制，4）构建了手部康复系统验证平台，其中包含SEA和气动人工肌肉等关键的本质安全单元。.总结来看，本项目中的诸多系统性科学方法与实验结果，将有助于其他相关研究人员、医生和手部患者。为实现"人人享有康复服务"的国家战略目标提供理论方法基础和技术支撑