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1、.,康复工程技术在脑卒中的应用,国家康复辅具研究中心附属康复医院,吕泽平 师昉,.,2,.,.,生物医学工程 (Biomedical Engineering) An interdisciplinary branch of engineering heavily based both in engineering and in the life sciences. 生物材料和人工器官 医学图像分析系统 血液分析的新型诊疗仪器 生物纳米技术 生物力学 生物医学传感器 医学仪器安全性分析 疾病诊疗专家系统 神经工程 康复工程 医学数据分析软件 人体生理系统建模,康复工程学的内容,康复工程是生物医学工
2、程领域中一个重要的分支学科。其内容是充分利用工程学的原理、技术和方法，恢复、代偿或重建病人功能,.,康复工程学的特点,多学科交叉,康复工程技术相关学科包括：解剖学、生理学、康复医学、生物力学、机械学、材料学、电子学、控制论与信息科学等,.,康复工程学的应用范围,各种原因所导致的运动、感觉、智力以及语言等方面的功能障碍,.,康复工程学在康复学科中的作用,.,脑卒中康复治疗的主要瓶颈问题,.,9,.,10,.,11,脑卒中治疗的过程实际上是一个疾病与康复并存的过程,.,12,认知功能障碍严重影响康复效果,.,目前缺血性脑血管病的诸多治疗都存在明显的瓶颈,改善循环主要瓶颈是时间窗和神经血管单元的匹配
3、,细胞保护、挽救神经元主要瓶颈是细胞表面及细胞内是无血管，借道血脑屏障的内皮C、受体、细胞间质。,对抗和清除有害物质主要瓶颈是病理情况下清除有害物质的能力及其有限，毒性物质的大量蓄积，反过来又会加重组织损伤，形成恶性循环,神经修复与再生医学任重道远 神经系统遭受损伤后的修复这个学科的发展刚刚跨过“能还是不能”这个起步阶段，目前能够达到的治疗效果与患者的期望值仍存在很大差距。神经一旦损伤，即使应用修复手段使其修复，也难以达到损伤前的功能状态,.,2020/8/9,.,卒中后亚急性和慢性期脑修复的主要新策略,卒中急性期 有限治疗时间窗,亚急性期、慢性期 治疗时间窗宽泛，需以神经功能恢复为主要治疗目
4、的,全世界有8 千万的卒中患者，急需发展新的治疗策略,.,目前比较公认的卒中后亚急性和慢性期有效的治疗方法,包括丰富环境、改良物理治疗方法、药物干预及干细胞治疗,丰富环境可促进神经解剖、神经化学的重塑及大脑功能代表区范围的变化，其临床研究结果呈阳性，最佳使用时间为缺血早期,改良物理治疗方法主要由现代技术构成，包括机器人装置、视频教学、虚拟现实、交互视频游戏。临床研究显示，该方法可促进卒中患者的神经功能恢复，时间窗可扩展到6 个月至8 年，神经功能恢复与梗死体积无关,.,康复工程技术脑卒中康复治疗的运用,.,康复工程技术脑卒中康复治疗的运用,.,.,.,运动障碍神经康复技术,.,中风病人通过意念
5、驱动进行重复性的任务练习，以促使病人的大脑可以通过创造新的机能路径来恢复之前丧失的运动能力,建立可视的运动目标导向 大量重复性训练 主动参与 实时生物反馈,科学家经过多年临床研究发现，只有满足一些“特殊条件”的康复训练才能在脑卒中早期真正有效地让患者大脑受损区域的代偿连接重新建立起来 这些“特殊条件”主要包括四个方面：,.,机器人辅助训练器,机器人机电外骨骼辅助装置,神经接口或脑计算机接口技术,减重步行训练器,功能性电刺激装置,康复工程新技术在卒中康复中的应用,.,减重步行训练器,是通过减轻体重负荷，改善步行能力的一种康复训练器械，近年来国内应用较为广泛。它是是通过减轻体重负荷，改善步行能力的
6、一种康复训练器械，近年来国内应用较为广泛。它是经传送带的强迫性运动，使髋关节被动过伸，肢体向前摆动，纠正步态的不对称性，使步行及平衡能力都得到最大程度恢复 卒中患者步行时患侧肌电活动的影响包括：1、使抗重力肌的运动电位降低；2、降低跖屈肌的前期收缩，防止足的跖屈痉挛，同时减少胫前肌和腓肠肌的同时收缩，使小腿肌肉收缩节律接近生理状态；3、使竖脊肌动作电位接近生理状态。减重步行训练还可以使偏瘫恢复期患者步行速度提高，步幅加大，步行耐力增强，平衡功能改善,.,减重步行训练器,主要技术要求,.,减重步行训练器,.,机器人辅助训练器,机器人辅助训练器是一种自动化康复医疗设备，以康复医学理论为依据，帮助患
7、者进行科学而有效的科学训练，使患者机能得到有效的恢复 计算机-传感器-安全装置 生理监测（生物电信号测量、生理参数测试等） 运动功能评估（人体运动分析、步态分析、关节活动度检测、平衡功能测试等）,.,机器人辅助训练器,脑卒中训练康复机器人目前的现状,上肢康复机器已经逐步实现主动、被动、助动三种模式相结合的运动，并实现神经控制参与的目标导向运动，可以精确测量手的平面运动参数，并为患者提供视觉反馈，技术相对成熟 手部康复机器人是目前国际研究的难点,也有一定的突破 下肢康复机器人也逐步改变了以被动运动模式为主，运动模式单一，缺乏目标导向训练设计；新研发的步态机器人能将干扰感觉信息输入最小化，易化正确
8、的感觉信息输人和步态力学，并智能化地根据外界变化同步作出辅助量大小调整，还可为机器人配以合适的生物信息检测系统，实现生物反馈控制，以提高康复效果,存在的问题 机器人步态训练设备进行辅助步态训练时，仍需要治疗师适当的辅助训练指导，尤其是矫正下肢的关节力线、力矩，使其与正常步行周期接近，以达到最优化效果,.,.,功能性电刺激装置,功能性电刺激可以重建和改善部分丧失的神经功能,FES治疗的目的是帮助病人完成某些功能活动,如步行、抓握,协调运动活动,加速随意控制的恢复,FES在刺激神经肌肉的同时，也刺激传入神经，加上不断重复的运动模式信息，传入中枢神经系统，在皮层形成兴奋痕迹，逐渐恢复原有的运动功能,
9、英国曼斯切特的一些科技人员和欧洲12个国家的研究人员联合研制成一种使下肢瘫痪者正常行走的电子装置。这种电子装置产生一种类似于由大脑发出的神经信号的电刺激,能使病人的肌肉恢复活力,行走比较自如,.,功能性电刺激装置,已研制的辅助瘫痪者行走的电子装置,安置在患者的臀部,可使患者缓慢地行走一公里,手部痉挛治疗仪。左侧动画是患者手部挛缩情况。通过肌电信号识别人手的动作意图，对手部肌肉群施加电刺激可以恢复手部运动,新一代的功能性电刺激采用没有电荷积累的电刺激脉冲，根据人的意图进行电刺激，根据人皮肤阻抗调节电刺激脉冲，保证电刺激强度。实现了根据人意图进行主动治疗的功能,.,.,机器人机电动力外骨骼辅助装置
10、,动力外骨骼机器人，也称“电子腿”，是一款可穿戴式新型轻量机器人。它不仅能帮助残疾人恢复行走能力，还有望避免患者因长时间坐在轮椅上而生压疮，同时还可以改善心脏健康状况、锻炼肌肉强度、缓解抑郁症等,动力外骨骼机器人适用于脊髓损伤患者、中风患者或多发性硬化症和大脑性麻痹患者等,.,动力外骨骼机器人 它由多块零部件组装而成，拆卸后可放入背包内。这种设计的目的是让使用者能够背着它坐在轮椅上，自己组装、穿戴，实现独立行走,当使用者身子前倾，这种装置就会启动。当左右晃动，装置就会走动。如果想停下来，只需后倾，这时机械腿支架就会停止工作。使用者靠前臂拐杖保持平衡,为机械腿的发动机提供动力的是安装在臂部零件内
11、的电池,技术原理,机器人机电动力外骨骼辅助装置,.,.,洛克希德马丁公司研制了一款名为HUL（Human Universal Load Carrier）的外骨骼机器人,加州大学伯克利分校于研制出了一款下肢外骨骼机器人BLEEX,.,神经接口或脑计算机接口技术,由于目标和实现手段的相似性，“神经修复”和“脑机接口”两术语经常可以通用。神经修复和脑机接口尝试达到一个共同的目标，如恢复视觉、听觉、运动能力，甚至是认知的能力。两者都使用类似的实验方法和外科手术技术,接口研究 一些实验室已实现从猴和大鼠的大脑皮层上记录信号以便操作脑机接口来实现运动控制。实验让猴只是通过回想给定的任务（而没有任何动作发生
12、）来操纵屏幕上的计算机光标并且控制机械臂完成简单的任务。另外在猫上进行的研究对视觉信号进行了解码,.,当前神经接口的主要途径 （自：华工何际平教授）,神经损伤或疾病造成传感或运动动能的退化或缺失 神经接口技术对基础研究和临床治疗康复的贡献,.,Amedeo康复机器手,.,康复科医生和治疗师的思考,【个体化的问题】基于手部运动的复杂性，治疗师对疾病的判断和治疗模式，有些时候我们需要代偿和联合运动等各种神经疗法配合，如何个体化的问题任何解决 【适应症的问题】中枢神经系统重度损害，缺乏代偿的基础，肌力低下，无可视的运动动作情况下如何训练 【功能完善的问题】传感器能不能通过一些数据规律的分析，对预后做
13、出评判,40,.,针对脑中风后肢体运动功能障碍者对主动、高性能康复训练模式与系统的需求，拟采用脑-机接口、肌-机接口等信息识别与虚拟现实等技术，通过采集患者的脑电信息与肌电信息，识别其运动意图；实现生物信息与人体运动及生物力学建模、了解肌肉协同的多肌肉协同驱动机制；解决脑电、肌电信息以及脑-肌融合在脑中风主动康复系统应用中的关键科学问题 建立以脑中风患者为中心的、主动式多层次康复训练模式，实现主观运动意愿康复治疗的目的,下图1是课题技术路线，图2是训练原理图,基于脑电与肌电运动意图识别的脑卒中主动康复训练模式与系统研究”（国自然项目：张秀峰）,.,“基于脑电与肌电运动意图识别的脑卒中主动康复训
14、练模式与系统研究” 课题技术路线,.,“基于脑电与肌电运动意图识别的脑卒中主动康复训练模式与系统研究” 训练原理,.,通过理论研究和科学实验相结合的方式，揭示人体上肢运动执行系统功能再造的基本科学规律，建立复现人体上肢功能运动和抓握运动谱的臂-手假肢设计原理与方法，突破基于眼动跟踪的人-机交互技术。拟结合运动解析实验，研究人体上肢功能运动特征的提取方法，探明上肢关节运动的协同规律，建立基于功能运动特征重构上肢功能运动的机械实现方法,“手眼协调的臂-手假肢系统基础研究”（国自然项目：张秀峰）,.,项目的总体研究方案,.,丰富环境下的假肢训练天人合一卡伦系统,.,丰富环境下的假肢训练天人合一卡伦系统,.,丰富环境下的假肢训练天人合一卡伦系统,.,2020/8/9,
