電子科技大學(xué)程洪教授團(tuán)隊在腦卒中康復(fù)研究領(lǐng)域的研究進(jìn)展

近日，電子科技大學(xué)機(jī)器人研究中心程洪教授團(tuán)隊，針對腦卒中患者的康復(fù)訓(xùn)練，分析了患者運動想象時的腦功能網(wǎng)絡(luò)特異性，提出了面向不同患者的個性化腦機(jī)接口，并結(jié)合下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人，實現(xiàn)了腦卒中患者的運動-認(rèn)知閉環(huán)康復(fù)訓(xùn)練，相關(guān)研究成果發(fā)表在ICRA、ICCSIP以及Frontiers in Neuroscience上。

研究背景

腦卒中患者由于大腦皮層受損導(dǎo)致其受損平面以下肢體的運動和感知功能出現(xiàn)障礙，給患者的生活和家庭帶來沉重負(fù)擔(dān)。如何最大程度恢復(fù)患者的肢體運動功能，是臨床康復(fù)關(guān)注的核心問題。以往研究表明，腦機(jī)接口主動康復(fù)技術(shù)相較于傳統(tǒng)治療手段能夠顯著地、高效地、持續(xù)地促進(jìn)患者受損區(qū)域的神經(jīng)重塑，恢復(fù)患者的運動功能。腦機(jī)接口的核心是運動意圖識別，然而，由于腦電信號的非平穩(wěn)性和個體差異性，實現(xiàn)高效精準(zhǔn)的運動意圖識別極具挑戰(zhàn)性。

研究概述

基于功能化導(dǎo)電聚合物的設(shè)計，研究團(tuán)隊設(shè)計了功能化聚苯胺基時序黏附水凝膠貼片。它可以實現(xiàn)心臟的同步機(jī)械生理監(jiān)測和電耦合治療，并牢固附著在心臟表面監(jiān)測心臟的機(jī)械運動和電活動。

針對上述挑戰(zhàn)，本研究分析了健康受試者和缺血性腦卒中患者在運動想象過程中的腦功能網(wǎng)絡(luò)差異性，并基于此提出了基于腦功能網(wǎng)絡(luò)機(jī)制的多模態(tài)運動意圖識別方法。隨后，將設(shè)計的腦機(jī)接口與下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人結(jié)合起來，搭建了基于腦電的腦控外骨骼平臺以及基于腦肌電的多模態(tài)外骨骼神經(jīng)控制平臺，并在腦卒中患者上驗證了所提出腦機(jī)接口的有效性，實現(xiàn)了腦卒中患者的運動-認(rèn)知閉環(huán)康復(fù)訓(xùn)練。

（1）基于腦功能網(wǎng)絡(luò)的腦卒中患者運動想象差異性分析

缺血性腦卒中患者由于大腦皮層受損導(dǎo)致皮層結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生改變，基于健康受試者腦電信號開發(fā)的腦機(jī)接口運動意圖識別準(zhǔn)確率低，降低了患者參與訓(xùn)練的主動積極性，并且嚴(yán)重阻礙了神經(jīng)通路重建與修復(fù)進(jìn)程。本研究采集了缺血性腦卒中患者和健康受試者的下肢運動想象腦電信號，結(jié)合事件相關(guān)電位、事件相關(guān)同步/去同步和腦功能網(wǎng)絡(luò)分析方法研究了卒中后局部皮層神經(jīng)活動的變化和大腦半球間及半球內(nèi)網(wǎng)絡(luò)連接情況，并基于腦功能網(wǎng)絡(luò)屬性研究了卒中后全腦大規(guī)模皮層活動的變化，完成了患者運動想象時的腦功能網(wǎng)絡(luò)特異性分析（圖1），為設(shè)計面向腦卒中患者的腦機(jī)接口，提高運動意圖識別準(zhǔn)確率提供了理論基礎(chǔ)。

（2）基于圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的運動想象腦機(jī)接口

腦電信號的個體差異大，不同患者運動想象的響應(yīng)頻率和腦功能網(wǎng)絡(luò)的激活模式不一樣，這導(dǎo)致腦機(jī)接口很難泛化到新患者上。針對這個問題，本研究提出了一種基于圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的調(diào)諧拓?fù)鋾r空融合網(wǎng)絡(luò)用于腦卒中患者的運動意圖識別（圖2）。該網(wǎng)絡(luò)通過一個可學(xué)習(xí)的腦電信號（EEG）調(diào)諧器來選取與運動想象最相關(guān)的信號頻帶，并利用圖卷積網(wǎng)絡(luò)來提取個性化的腦電信號拓?fù)涮卣?，提高了運動想象腦機(jī)接口在新受試者上的泛化能力（圖3），實現(xiàn)了高效精準(zhǔn)的運動意圖識別。

（3）基于sEMG和EEG信號的多模態(tài)增強融合下肢運動意圖識別

為了進(jìn)一步提高運動想象腦機(jī)接口的識別準(zhǔn)確率，實現(xiàn)高效精準(zhǔn)且穩(wěn)定的運動意圖識別，本研究提出了一種基于腦肌電的多模態(tài)增強融合腦機(jī)接口（圖4）。該接口采用腦卒中患者健側(cè)的表面肌電信號（sEMG）和EEG信號對患者運動意圖進(jìn)行識別，利用密集共注意力對稱網(wǎng)絡(luò)（DCA）的堆疊密集共注意力層實現(xiàn)sEMG和EEG信號特征之間的映射和深度融合。實驗結(jié)果表明，所提出的多模態(tài)腦機(jī)接口在單一受試者內(nèi)和跨受試者情況下均獲得了比單模態(tài)EEG信號更穩(wěn)定準(zhǔn)確的識別效果，具有穩(wěn)定的運動意圖識別性能（圖5）。

（4）面向腦卒中患者的腦控外骨骼平臺搭建及康復(fù)訓(xùn)練驗證

依托實驗室的腦肌電采集設(shè)備和下肢助行外骨骼AIDER，本研究搭建了基于EEG信號的腦控外骨骼平臺和基于sEMG和EEG信號的多模融合外骨骼神經(jīng)控制平臺，并在偏癱患者上進(jìn)行了康復(fù)訓(xùn)練驗證（圖6和圖7），實驗結(jié)果表明基于EEG的腦控外骨骼平臺下肢運動預(yù)測準(zhǔn)確率≥70%，多模融合外骨骼神經(jīng)控制平臺下肢運動預(yù)測準(zhǔn)確率≥95%，能夠穩(wěn)定有效的幫助腦卒中患者實現(xiàn)運動-認(rèn)知閉環(huán)康復(fù)訓(xùn)練。

結(jié)語

未來，研究團(tuán)隊將以腦功能網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，研究不同康復(fù)訓(xùn)練動作下腦卒中患者運動想象功能網(wǎng)絡(luò)的變化機(jī)理，從而實現(xiàn)對腦卒中患者康復(fù)訓(xùn)練的精準(zhǔn)評估。同時將進(jìn)一步研究基于任務(wù)引導(dǎo)和多模態(tài)感覺反饋的人機(jī)閉環(huán)康復(fù)訓(xùn)練腦機(jī)接口，進(jìn)一步推動腦機(jī)接口在腦卒中患者上的臨床康復(fù)應(yīng)用。