针对痉挛期偏瘫患者的神经康复机器人训练技术及量化评价方法的研究

Developing robotic systems for neural rehabilitation is the essential approach to improve rehabilitation training techniques, which can meet the demands of the patients with neurological damage in China and resolve the shortage of domestic rehabilitation resources. In order to accelerate a successful promotion of rehabilitation robot in clinical rehabilitation, it has both theoretical values and practical benefits in clinics to study the mechanism of neural regeneration, effective rehabilitation training methods and techniques, and approaches for evaluating patient’s function and ability quantitatively. Therefore, the objective of this project is to develop the rehabilitation robot as an intelligent agent which goes beyond assisting the patients to move. This project will mainly study the mechanism of neural rehabilitation using upper limb rehabilitation robot for stroke patients with spasticity, training technologies in clinical rehabilitation, and quantitative assessing mechanisms of patient’s function and ability. During upper limb rehabilitation training, this project aims at solving current theoretical and practical problems in rehabilitation, namely, i) understanding the mechanism of human-machine coordination control, ii) identifying solutions to eliminating spasticity, iii) understanding neural-muscle control strategy and optimization of motor training mode, and iv) quantitative assessment of the patient’s engagement, function, and ability. Based on these research, we can acquire the methods, techniques, and clinical application profile to facilitate neural recovery process and improve the efficiency of rehabilitation training with the help of robotic therapy. The ultimate goal of this project is to promote upper limb rehabilitation robot in clinical rehabilitation, which enables stroke survivors regain neural control ability and return to society. We aim to publish 14 scientific articles and apply for 5 patents for invention based on the conduct of this project.

神经康复机器人是有效提升康复训练水平的必要手段，从而满足我国神经损伤患者康复需求、解决康复资源短缺问题。为促进康复机器人更快且有效进入临床推广，研究神经再生机理、有效的康复训练方法与技术以及量化的康复评价方法具有重要的理论意义和临床实用价值。本项目意在赋予康复机器人具有除了施加运动和力刺激之外的更多样的训练角色，重点开展针对痉挛期偏瘫患者的上肢神经康复机器人神经康复机理、临床训练技术及量化评估方法的理论与临床实验研究。重点解决上肢康复训练中的人机协调控制机理、痉挛解消方法、神经-肌肉控制策略及运动训练模式优化、以及患者训练投入程度和患者能力量化评估等康复理论和临床训练等难题，以期获得用康复机器人训练加快神经康复进程及提升患者康复训练效果的方法、技术及临床应用规范。使上肢康复机器人有效应用于临床康复并普及推广，更快地促使脑卒中患者恢复神经控制功能并回归社会。本项目拟发表高水平论文14篇，申请发明专利5项。

将机器人技术应用于临床神经康复是大势所趋，但上肢康复机器人问世近30年仍未在临床广泛推广应用，究其原因，问题症结在于人体上肢运动复杂、神经损伤具有极强的个体差异性，而传统康复机器人无法像医师一样根据患者损伤实施针对性处方，因此康复效率未达预期。本项目选取临床痉挛期偏瘫患者的康复过程为研究载体，开展了针对上肢运动功能训练的康复机器人平台的优化设计、重点研究了痉挛期的神经-肌肉协调能力的训练技术及患者运动功能的量化评估方法等，从上肢运动训练与神经恢复的机理研究入手，探究外部刺激神经重建的可行方式、开发有效的肢体运动训练模式、并构建了基于康复机器人的患者能力量化评估技术体系。.具体而言，开展了针对上肢运动功能进行训练的康复机器人平台的优化设计，针对卒中患者处于不同康复周期完成被动、主动、助动、阻抗四种训练控制模式的设计，应用机构逆运动学与阻抗控制理论相结合，完成机器人末端人机协调运动。根据患者临床使用情况反馈，在上肢康复机器人样机基础上完成了两代机器人产品定型，已在十余家医院进行临床应用。.另一方面，本项目通过大脑脑电特征探究解析振动解消痉挛作用机制，研发了可以实施运动感觉统合康复训练缓解痉挛的气动肌肉局部振动设备，通过物理干预缓解患者痉挛。研发的气动柔性振动系统在华中科技大学协和深圳医院进行临床实验，针对卒中后痉挛患者实施肌肉局部振动的物理干预方法，在解消痉挛方面取得了良好的治疗效果。.本项目研发了基于机器人平台的患者功能状态量化评估方法，患者训练同时可以通过力位传感器对患者训练表现及运动能力进行定量评价，分析不同运动轨迹与不同训练模式下的主动运动训练对受试者关节角度、肌肉激活性的影响，通过组合不同的参数与Fugl-Meyer评分进行函数拟合，准确率达到90%以上，实现了基于上肢康复机器人针对卒中患者功能状态的辅助量化评估方法。.在上述研究中，已在国内外学术期刊及国际会议发表论文17篇，SCI收录12篇，申请发明专利7件。