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智能康復 | 康復機器人的意圖識別技術

發(fā)布時間:2022-06-20 來源:醫(yī)療器械創(chuàng)新網 瀏覽量: 字號:【加大】【減小】 手機上觀看

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康復機器人是非常重要的康復方式,目前多通過硬件來控制:如機械按鈕、操縱桿、平板電腦等。硬件控制的優(yōu)點是穩(wěn)定明確,但患者接受的是被動運動。雖然患者可主動參與,但不可避免的是,其參與的動機會自然消退,甚至會出現患者訓練時瞌睡的尷尬局面。


事實上,我們還可通過更高級的運動意圖識別來控制。

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運動意圖識別控制

運動意圖識別這項技術,對患者康復極具意義。它充分調動和維持了運動的主動性,促進有效性最大化。豐富的隨機對照試驗和系統(tǒng)綜述已經證明了這一點。

運動意圖識別的方式主要有三種

一、腦電信號意圖識別

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腦電信號意圖識別植入電極最理想的方式是將電極放置在顱骨內,硬腦膜外,直接采集皮層的電活動。這種方式的最大優(yōu)勢是,第一時間就能被采集下來。但是植入電極在運動皮質位置的選擇和固定,以及植入過程的有創(chuàng)操作,還有醫(yī)學倫理等問題,使這種方式尚不能在人體驗證使用。


目前成熟的方式是:通過一個布滿電極的帽子,在顱骨外、頭皮外進行腦電信號的采集。這種方式無創(chuàng)、可接受程度高。缺點是:腦電信號在穿透腦膜、顱骨、筋膜、頭皮的過程中,發(fā)生了深刻的變化,造成了去噪解讀的復雜。但通過技術處理后依然是目前最可接受的方式。


通過腦電的信號進行意圖識別,信號直接及時,如果在操作便捷、解讀準確、可重復性等方面達到要求后,被視為理想的意圖識別方式,是真正的意圖識別。巴西研究者已經通過腦機接口控制外骨骼機器人的方式,實現了令人驚訝的顯著有效性。

二、肌電信號意圖識別


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運動意圖從運動皮質產生,向下傳遞。通過皮質脊髓束,到達脊髓前角,換神經元后,經由外周神經到達神經肌接頭,進而引起肌肉收縮,肌肉收縮力大于肢體重力時,即產生動作,這個過程是需要時間的。在神經沖動到達神經肌接頭時,我們即可在肢體皮膚表面采集到電信號,此時肌肉還沒有收縮,因為肌肉的收縮需要一個募集和啟動的過程。在肌肉收縮之前, 我們就可以在皮膚表面采集到電信號,提早時間以毫秒計。


通過表面肌電信號的采集,我們提前識別出患者的運動意圖。這種方式非常適合肌肉軟癱、神經肌接頭疾病、重癥肌無力等肌肉本身疾病的功能康復,以及生活輔助、肌電假肢等應用場景。此技術結合康復機器人對上下肢康復、假肢輔具等都有應用。高密度表面肌電的識別更具價值。

三、力傳感器意圖識別

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力傳感器意圖識別分為力矩傳感器壓電傳感器。肌肉收縮帶動關節(jié)運動,進而對傳感器施加了力,傳感器也就采集到了患者的運動意圖。其實,此時已不是運動意圖識別了,而是運動效應檢測,因為其相對于意圖的產生,有嚴重的滯后性。壓電傳感器、重心偏移檢測、足底壓力檢測等,道理一樣。


那諸如此類的價值在哪里呢?在于患者恢復后期,雖有產生肌肉收縮和力,但不足以支撐自己的運動。所以,此時需要將傳感器結合電機,用電機輸出再補上一部分力,來滿足實際需要。力矩傳感器結合電機,我們稱之為“關節(jié)模組”。目前有些康復機器人正是采用了這樣的方式。

以上就是為了增加康復機器人的有效性和輔助性,采用的三種運動意圖識別的方式。腦電意圖識別多用于康復早中期,也就是常說的“腦機接口”,后期使用效果也不錯。肌電意圖識別多用于康復中后期和假肢輔具,力矩傳感器意圖識別多用于康復后期。


意圖信號的處理識別,隨著機器學習算法的應用,也已經到了新的發(fā)展階段,另外通過肌肉型態(tài)學,通過綜合行為特征等,進行數據學習識別亦在規(guī)劃中。



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