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嘉峪檢測網 2024-09-06 08:19
導 語
近日，浙江工業大學設計研究院的研究團隊在《IEEE JOURNAL OF TRANSLATIONAL ENGINEERING IN HEALTH AND MEDICINE》上發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線驅動，結合基于穩態視覺誘發電位（SSVEP）和運動想象（MI）的混合腦電控制方法，以促進主動康復和提供更多控制命令，為上肢康復注入了新的活力。
1、研究背景
隨著人口老齡化的趨勢日益明顯，中風已成為導致殘疾的主要原因之一。盡管中風死亡率有所下降，但中風幸存者所面臨的康復挑戰卻日益嚴峻。傳統的康復方法，如人工治療或治療師輔助的練習，在應對不斷增長的康復需求時顯得力不從心。相比之下，康復外骨骼憑借其高精度傳感器和生物醫學信號的應用，如慣性測量單元、肌電圖信號和腦電圖信號等，能夠提供更穩定、連續的康復支持，從而實現良好的控制性能和康復效果的跟蹤與評估。
然而，傳統的剛性外骨骼存在重量大、結構尺寸大等問題，而軟體外骨骼則在便攜性、安全性和重量方面表現出優勢。在與外骨骼相關的研究中，驅動方式的選擇至關重要，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，但在硬件結構尺寸、驅動模塊布局、自由度數量和重量等方面仍有改進的空間。
此外，一些康復外骨骼讓患者處于被動角色，進行預設的重復運動，這可能限制康復效果。為了克服這一問題，研究人員致力于開發能促進用戶積極參與的外骨骼，以提高康復效果。神經可塑性在神經損傷后的恢復中起著關鍵作用，積極參與康復的患者更能促進神經可塑性。因此，將神經可塑性原則融入康復外骨骼的設計中，是一種積極有益的探索。
2、研究概述
基于功能化導電聚合物的設計，研究團隊設計了功能化聚苯胺基時序黏附水凝膠貼片。它可以實現心臟的同步機械生理監測和電耦合治療，并牢固附著在心臟表面監測心臟的機械運動和電活動。
研發的外骨骼旨在實現上肢四個關節（非拇指手指、手腕、肘部和肩部）的康復，同時確保驅動效果。具體目標包括實現主動控制、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載體，由帶子模塊、Bowden線驅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，提供尺寸調整空間，同時固定其他結構。Bowden線驅動模塊通過參考肌肉位置和方向確定驅動位置和角度，實現四個關節的驅動。電子模塊集成了多種硬件，設置在3D打印的盒子中。
圖1：用于驅動肘關節的Bowden電纜結構（圖片來自原文）
采用混合腦電控制方法，結合SSVEP和MI范式。SSVEP范式用于選擇康復運動，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閃爍刺激程序，讓受試者注視代表不同康復運動的圖像，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，則將控制命令發送到Bowden線驅動模塊執行運動。
圖2：基于腦電圖的混合控制方法（圖片來自原文）
圖3：CNN-LSTM模型的具體結構（圖片來自原文）
9名健康研究生和3名中度中風幸存者參與實驗。受試者佩戴連接到Biosemi采集設備的EEG帽，收集28通道數據。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8秒，4秒的MI EEG信號作為輸入樣本。通過訓練CNN - LSTM模型，并與其他方法（CNN、LSTM、CSP + SVM）進行比較，結果表明CNN - LSTM模型在MI分類準確率上具有優勢。
受試者佩戴EEG帽和外骨骼，根據閃爍刺激程序的提示完成康復訓練任務。每個運動隨機出現9次，共完成63個運動，每三個運動后有10秒休息間隔。實驗結果顯示，平均任務成功率為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名中風幸存者進行康復評估，在35天的康復訓練中，記錄肌肉電信號（EMG）和關節活動度（ROM）。結果顯示，四個關節的平均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天康復訓練中所有受試者的關節活動度和平均EMG振幅的記錄（圖片來自原文）
3、研究意義
該外骨骼的4個自由度設計能夠讓用戶更多地參與到康復過程中，模擬人體肌肉骨骼系統的運動，提供更自然、流暢的康復任務，有助于改善康復效果。混合腦電控制方法的應用為康復訓練提供了更多的控制命令，促進了用戶的主動參與，能夠更好地激發患者的積極性，提高康復效果。這項研究充分考慮了神經可塑性原則，將康復理論與康復設備相結合，為基于腦機接口的康復策略和硬件開發提供了新的思路和方法，有望推動康復領域的進一步發展。外骨骼在可用性和康復效果方面的表現，為中風患者的康復帶來了新的希望，有助于提高他們的生活質量，減輕家庭和社會的負擔。
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
來源：Internet
