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“纯意念控制”康复机器人“神工一号”升级版“神工二号”进入临床实用

当自己的左腿在一款长得颇像“大白”的机器人的帮助下终于“踢”了出去的时候,77岁的脑中风患者郑桂荣惊喜地发现,自己“瘫”了8个月的腿,竟然又“听使唤”了:“心思一动,腿就可以开始抬起来了”。 


8月20日,由天津大学研制成功的纯意念控制人工神经康复机器人系统“神工二号”在山东省烟台山医院发布并进入临床实用。现场,除了郑桂荣大娘亲身体验到了这款机器人的神奇之外,50岁的李孟祥也在脑中风后的15个月第一次自己抬起了手腕。 


“神工二号”的前身是一年前发布的全球首台纯意念控制人工神经康复机器人系统“神工一号”。“神工一号”历时十年研制成功,被观察者网评为2014年中国改变未来的十大科技成果之一,这项研究成果让不少中风、瘫痪人士燃起重新独立生活的希望。目前,“神工一号”已在多家三甲医院完成了100余例临床试验,最小患者11岁,最大83岁,疗效显著。一位因中风导致偏瘫11年的患者经过三个月“神工一号”康复治疗,甚至可以用原来无法运动的右手一笔一划写出自己的名字。 


“神工二号”通过人工神经机器人计算并分析脑区的激活程度和可塑性模式,辅助皮层肌肉活动的同步耦合,构建了“脑—机—肌”紧密型的人工神经信息环路,反复强化这一从大脑至肌群的正常兴奋传导通路,利用神经可塑性有效地促进原有障碍的运动反射弧的逐渐恢复。 


相比“神工一号”,“神工二号”再次成功突破一系列临床关键技术。天津大学神经工程团队负责人明东教授介绍,与神工一号相比,神工二号在技术内核、传感模式、软件设计、应用方式等方面发生了明显的变化。在最为关键的脑状态信息建模解码部分,针对患者个体差异性大和普适性差难题,神工二号创新设计了一种高稳定度的模型更新策略,使机器人系统模型参数能够在人机交互训练过程中随患者个体数据积累不断进行优化更新,并在建模过程中将干扰模式数据混入基础任务静息态,有效抑制了因外界环境因素和个人心理因素等所造成的系统误触发率,大大提升了系统的可靠性和准确性。 


此外,“神工二号”采用“互联网+”技术,应用方式变成了全新的线上线下结合,它实时采集患者的多导联脑电信息,由山东省烟台山医院南院联网传送至天津大学神经工程与康复实验室的数据中心,实现远程数据解码与处理,然后将指令参数返回医院的机器人终端进行康复治疗,开创了大数据远程医疗新模式。而系统“无线水性电极”的传感方式则简化了临床操作,软硬件整合,形成了一套集信息存档、评定诊断、训练治疗、数据传输等多种功能于一体的临床康复智能服务系统,并扩展了中风后抑郁症等关联疾病的辅助诊断,可进行在线病理检测与筛查。 


“神工”系列,目前已拥有包括59项授权国家发明专利、1项软件著作权在内的自主知识产权集群。而在明东教授的计划中,“将来我们还会尝试把更先进的虚拟现实、经颅电磁刺激和机械外骨骼技术融入进来,让瘫痪患者的康复训练变得更加高效、有趣、生动。”


神工一号问世时如是说


中风偏瘫或者截瘫的患者是因为中枢神经(比如脑部)或者周边神经(比如四肢)受损,神经通路受阻,大脑无法发出正确指令,或者指令无法传输到周边神经,进而无法“指挥”肢体肌肉收缩,无法正常行动。


“我们的工作就是要正确、快速解码脑部信号,‘重塑’中枢神经,再仿生构筑了一条完整的‘人工神经通路’,把人体受损的中枢神经和周边神经连通起来。”项目主要负责人、天津大学精仪学院明东教授说,“我们给机器人系统起名为‘神工一号’,取义‘鬼斧神工’。”


体验者需要把装有电极的脑电探测器戴在头部,并在患病肢体的肌肉上安装电极,借助“神工一号”的连接,就可以用“意念”来“控制”肢体了。


明东说,“意念控制”,其实可以看成外部设备读懂大脑神经信号并且执行的过程。“神工一号”看似简单、轻巧的机器人系统工作起来却很复杂。它需要首先提取体验者的脑电数据,构建出带有个体特征的意念控制指令的“密码本”。随后通过脑电的异步“脑——机接口”技术模拟中枢神经通路、解码体验者的运动意念信息,进而驱动多级神经肌肉电刺激技术模拟周边神经通路、从而刺激瘫痪肢体产生对应动作。


明东介绍,脑——机接口的作用是可以无创读取脑电信息,不再需要把芯片植入大脑或者脊髓中,就可以较为准确地读取人的“意念”。


体验者的“想象”并非只是单纯的控制命令,而是一种脑区激活方式,想象即为待实施的实际肢体动作,真正实现大脑皮层与肌肉活动的同步耦合,做到身随意动、思行合一。


不仅仅限于运动康复,“神工一号”还可在线进行中风后抑郁等关联疾病的病理检测与筛查。“神工一号”通过实时采集、处理和分析患者的静息态脑电,对中风后抑郁的识别精度接近90%。

“将来的‘神工二号’、‘神工三号’体积会更小,便携可穿戴。它可以辅助病人完成更多复合精细的肢体动作,推广至包括脊髓损伤在内的更多患者,甚至实现重症瘫痪的意念交流。它对大脑状态的探测与分析、肌骨运动健康的维持和训练等一系列技术新思路将应用于一些特殊人群,比如长期在轨的航天员,在我国载人航天计划中大有用武之地。”明东表示。

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