電子科技大學(xué)程洪教授團(tuán)隊(duì)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(duì)，針對(duì)腦卒中患者的康復(fù)訓(xùn)練，分析了患者運(yùn)動(dòng)想象時(shí)的腦功能網(wǎng)絡(luò)特異性，提出了面向不同患者的個(gè)性化腦機(jī)接口，并結(jié)合下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了腦卒中患者的運(yùn)動(dòng)-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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(dòng)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(yùn)動(dòng)功能。腦機(jī)接口的核心是運(yùn)動(dòng)意圖識(shí)別，然而，由于腦電信號(hào)的非平穩(wěn)性和個(gè)體差異性，實(shí)現(xiàn)高效精準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)意圖識(shí)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(jì)，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了功能化聚苯胺基時(shí)序黏附水凝膠貼片。它可以實(shí)現(xiàn)心臟的同步機(jī)械生理監(jiān)測(cè)和電耦合治療，并牢固附著在心臟表面監(jiān)測(cè)心臟的機(jī)械運(yùn)動(dòng)和電活動(dòng)。

針對(duì)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)意圖識(shí)別方法。隨后，將設(shè)計(jì)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(tái)以及基于腦肌電的多模態(tài)外骨骼神經(jīng)控制平臺(tái)，并在腦卒中患者上驗(yàn)證了所提出腦機(jī)接口的有效性，實(shí)現(xiàn)了腦卒中患者的運(yùn)動(dòng)-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(yùn)動(dòng)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(hào)開發(fā)的腦機(jī)接口運(yùn)動(dòng)意圖識(shí)別準(zhǔn)確率低，降低了患者參與訓(xùn)練的主動(dòng)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(yùn)動(dòng)想象腦電信號(hào)，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(dòng)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(dòng)的變化，完成了患者運(yùn)動(dòng)想象時(shí)的腦功能網(wǎng)絡(luò)特異性分析（圖1），為設(shè)計(jì)面向腦卒中患者的腦機(jī)接口，提高運(yùn)動(dòng)意圖識(shí)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(yùn)動(dòng)想象腦機(jī)接口

腦電信號(hào)的個(gè)體差異大，不同患者運(yùn)動(dòng)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(duì)這個(gè)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(shí)空融合網(wǎng)絡(luò)用于腦卒中患者的運(yùn)動(dòng)意圖識(shí)別（圖2）。該網(wǎng)絡(luò)通過一個(gè)可學(xué)習(xí)的腦電信號(hào)（EEG）調(diào)諧器來選取與運(yùn)動(dòng)想象最相關(guān)的信號(hào)頻帶，并利用圖卷積網(wǎng)絡(luò)來提取個(gè)性化的腦電信號(hào)拓?fù)涮卣?，提高了運(yùn)動(dòng)想象腦機(jī)接口在新受試者上的泛化能力（圖3），實(shí)現(xiàn)了高效精準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)意圖識(shí)別。

（3）基于sEMG和EEG信號(hào)的多模態(tài)增強(qiáng)融合下肢運(yùn)動(dòng)意圖識(shí)別

為了進(jìn)一步提高運(yùn)動(dòng)想象腦機(jī)接口的識(shí)別準(zhǔn)確率，實(shí)現(xiàn)高效精準(zhǔn)且穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)意圖識(shí)別，本研究提出了一種基于腦肌電的多模態(tài)增強(qiáng)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(hào)（sEMG）和EEG信號(hào)對(duì)患者運(yùn)動(dòng)意圖進(jìn)行識(shí)別，利用密集共注意力對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)（DCA）的堆疊密集共注意力層實(shí)現(xiàn)sEMG和EEG信號(hào)特征之間的映射和深度融合。實(shí)驗(yàn)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(hào)更穩(wěn)定準(zhǔn)確的識(shí)別效果，具有穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)意圖識(shí)別性能（圖5）。

（4）面向腦卒中患者的腦控外骨骼平臺(tái)搭建及康復(fù)訓(xùn)練驗(yàn)證

依托實(shí)驗(yàn)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(hào)的腦控外骨骼平臺(tái)和基于sEMG和EEG信號(hào)的多模融合外骨骼神經(jīng)控制平臺(tái)，并在偏癱患者上進(jìn)行了康復(fù)訓(xùn)練驗(yàn)證（圖6和圖7），實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明基于EEG的腦控外骨骼平臺(tái)下肢運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率≥70%，多模融合外骨骼神經(jīng)控制平臺(tái)下肢運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率≥95%，能夠穩(wěn)定有效的幫助腦卒中患者實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)-認(rèn)知閉環(huán)康復(fù)訓(xùn)練。

結(jié)語

未來，研究團(tuán)隊(duì)將以腦功能網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，研究不同康復(fù)訓(xùn)練動(dòng)作下腦卒中患者運(yùn)動(dòng)想象功能網(wǎng)絡(luò)的變化機(jī)理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)腦卒中患者康復(fù)訓(xùn)練的精準(zhǔn)評(píng)估。同時(shí)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(dòng)腦機(jī)接口在腦卒中患者上的臨床康復(fù)應(yīng)用。