助中风康复国产机器人诞生 六大模块实现“纯意念控制”
时间：2014-06-17
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一名瘫痪少年在脑控机械外骨骼的帮助下，为今年的巴西世界杯开球，这项神奇的技术其实离国人并不遥远。(世界杯上那些抢风头的高科技（多图）)
天津大学和天津市人民医院发布了双方共同研制的人工神经康复机器人系统“神工一号”，这是全球首台适用于全肢体中风康复的“纯意念控制”人工神经机器人系统。与在世界杯上亮相的脑控机械外骨骼相比，“神工一号”能够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。
发布会现场，一位偏瘫病人通过这一系统能够“指挥”自己原本无法动作的肢体完成相应动作。项目主要负责人、天津大学精仪学院教授明东说，中风患者是因为中枢神经或者周边神经受损，大脑无法发出正确指令，或者指令无法传输到周边神经。这套系统不仅要正确、快速解码脑部信号，“重塑”中枢神经，还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。它需要首先提取体验者的脑电数据，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，刺激瘫痪肢体产生对应动作。
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天津大学神经工程研究团队和天津市人民医院联合研制的这项最新研究成果将会让更多的中风、瘫痪人士重新独立生活。
这一历时10年的技术，是国家“863计划”“十二五”国家科技支撑计划和国家优秀青年科学基金重点支持项目，在复合想象动作信息解析与处理、异步脑—机接口训练与识别、皮层—肌肉活动同步耦合优化、中风后抑郁脑电非线性特征提取与筛查等关键技术上取得了重大突破，目前已拥有包括23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，是适用于全肢体中风康复的“纯意念控制”人工神经机器人系统。
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、天津大学精仪学院教授明东说。他说，我们给机器人系统起名为“神工一号”，取义“鬼斧神工”。
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该系统包括无创脑电传感模块、想象动作特征检测模块、运动意图识别模块、指令编码接口模块、刺激信息调理模块、刺激电流输出模块6部分。与在世界杯上亮相的脑控机械外骨骼相比，“神工一号”更能够体现出“纯意念”。体验者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”自己本来无法行动的肢体。
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。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到大脑或者脊髓中，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。
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据明东介绍，脑控机械外骨骼是利用被动机械牵引，非肌肉主动收缩激活。而“神工一号”则利用神经肌肉电刺激，模拟神经冲动的电刺激引起肌肉产生主动收缩，带动骨骼和关节产生自主动作，与人体自主运动原理一致。这一点对于病人来说意义重大，他们借助“神工一号”不仅能够完成相应动作，还能加快康复进程。天津市人民医院康复科主任、天津市康复医学研究所所长杜金刚表示，这在康复医学上是重大突破。 “神工一号”不仅像脑控机械外骨骼可以起到“替代”作用，更有“修复”作用，与传统的康复手段相比，“神工一号”使患者的康复由被动变为主动。杜金刚说，仅体验过三次“神工一号”的董阿姨，脚、腿和大拇指已经可以自主动作了。
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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。
