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

近日，電子科技大學(xué)機器人研究中心程洪教授團隊，針對腦卒中患者的康復訓練，分析了患者運動(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)性化腦機接口，并結合下肢康復外骨骼機器人，實(shí)現了腦卒中患者的運動(dòng)-認知閉環(huán)康復訓練，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致其受損平面以下肢體的運動(dòng)和感知功能出現障礙，給患者的生活和家庭帶來(lái)沉重負擔。如何最大程度恢復患者的肢體運動(dòng)功能，是臨床康復關(guān)注的核心問(wèn)題。以往研究表明，腦機接口主動(dòng)康復技術(shù)相較于傳統治療手段能夠顯著(zhù)地、高效地、持續地促進(jìn)患者受損區域的神經(jīng)重塑，恢復患者的運動(dòng)功能。腦機接口的核心是運動(dòng)意圖識別，然而，由于腦電信號的非平穩性和個(gè)體差異性，實(shí)現高效精準的運動(dòng)意圖識別極具挑戰性。

研究概述

基于功能化導電聚合物的設計，研究團隊設計了功能化聚苯胺基時(shí)序黏附水凝膠貼片。它可以實(shí)現心臟的同步機械生理監測和電耦合治療，并牢固附著(zhù)在心臟表面監測心臟的機械運動(dòng)和電活動(dòng)。

針對上述挑戰，本研究分析了健康受試者和缺血性腦卒中患者在運動(dòng)想象過(guò)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 )機制的多模態(tài)運動(dòng)意圖識別方法。隨后，將設計的腦機接口與下肢康復外骨骼機器人結合起來(lái)，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接口的有效性，實(shí)現了腦卒中患者的運動(dòng)-認知閉環(huán)康復訓練。

（1）基于腦功能網(wǎng)絡(luò )的腦卒中患者運動(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致皮層結構和功能發(fā)生改變，基于健康受試者腦電信號開(kāi)發(fā)的腦機接口運動(dòng)意圖識別準確率低，降低了患者參與訓練的主動(dòng)積極性，并且嚴重阻礙了神經(jīng)通路重建與修復進(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(dòng)想象腦電信號，結合事件相關(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模皮層活動(dòng)的變化，完成了患者運動(dòng)想象時(shí)的腦功能網(wǎng)絡(luò )特異性分析（圖1），為設計面向腦卒中患者的腦機接口，提高運動(dòng)意圖識別準確率提供了理論基礎。

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

腦電信號的個(gè)體差異大，不同患者運動(dòng)想象的響應頻率和腦功能網(wǎng)絡(luò )的激活模式不一樣，這導致腦機接口很難泛化到新患者上。針對這個(gè)問(wèn)題，本研究提出了一種基于圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的調諧拓撲時(shí)空融合網(wǎng)絡(luò )用于腦卒中患者的運動(dòng)意圖識別（圖2）。該網(wǎng)絡(luò )通過(guò)一個(gè)可學(xué)習的腦電信號（EEG）調諧器來(lái)選取與運動(dòng)想象最相關(guān)的信號頻帶，并利用圖卷積網(wǎng)絡(luò )來(lái)提取個(gè)性化的腦電信號拓撲特征，提高了運動(dòng)想象腦機接口在新受試者上的泛化能力（圖3），實(shí)現了高效精準的運動(dòng)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(dòng)意圖識別

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

依托實(shí)驗室的腦肌電采集設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)行了康復訓練驗證（圖6和圖7），實(shí)驗結果表明基于EEG的腦控外骨骼平臺下肢運動(dòng)預測準確率≥70%，多模融合外骨骼神經(jīng)控制平臺下肢運動(dòng)預測準確率≥95%，能夠穩定有效的幫助腦卒中患者實(shí)現運動(dòng)-認知閉環(huán)康復訓練。

結語(yǔ)

未來(lái)，研究團隊將以腦功能網(wǎng)絡(luò )為基礎，研究不同康復訓練動(dòng)作下腦卒中患者運動(dòng)想象功能網(wǎng)絡(luò )的變化機理，從而實(shí)現對腦卒中患者康復訓練的精準評估。同時(shí)將進(jìn)一步研究基于任務(wù)引導和多模態(tài)感覺(jué)反饋的人機閉環(huán)康復訓練腦機接口，進(jìn)一步推動(dòng)腦機接口在腦卒中患者上的臨床康復應用。