腦卒中俗稱(chēng)"中風(fēng)"，是一種急性腦血管疾病,其病因主要是患者腦部血管突然破裂或阻塞導(dǎo)致血液不能流入大腦而引起腦組織損傷，進(jìn)而出現(xiàn)長(zhǎng)期性的半身無(wú)力、半身不遂等臨床癥狀，導(dǎo)致患者日常生活活動(dòng)能力降低，影響生活質(zhì)量。
坐站轉(zhuǎn)移是人們?nèi)粘Ｉ钪凶畛Ｒ?jiàn)的功能活動(dòng)之一，也是完成床椅轉(zhuǎn)移、椅廁轉(zhuǎn)移等常見(jiàn)體位轉(zhuǎn)移的基礎(chǔ)。腦卒中患者在坐站轉(zhuǎn)移時(shí)下肢負(fù)重存在不對(duì)稱(chēng)性，增加了跌倒風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)患者進(jìn)行科學(xué)高效的坐站轉(zhuǎn)移訓(xùn)練，有助于下肢功能恢復(fù)及平衡能力改善，是提高患者日常生活質(zhì)量的基礎(chǔ)。
傳統(tǒng)康復(fù)方式以治療師輔助患者康復(fù)為主，在轉(zhuǎn)移患者、引導(dǎo)動(dòng)作等環(huán)節(jié)中治療師耗費(fèi)了大量體力，患者也無(wú)法獲得較好的康復(fù)體驗(yàn)。采用下肢康復(fù)機(jī)器人輔助患者進(jìn)行訓(xùn)練，能將治療師從繁重體力勞動(dòng)中解放出來(lái)，使其將主要精力放在動(dòng)作規(guī)范指導(dǎo)上。
現(xiàn)有下肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)大多結(jié)構(gòu)復(fù)雜且控制難度高，多適用于綜合型醫(yī)院和專(zhuān)業(yè)康復(fù)醫(yī)療機(jī)構(gòu)；另外，由于公共醫(yī)療資源有限，患者無(wú)法在醫(yī)院進(jìn)行長(zhǎng)期康復(fù)治療。因此，開(kāi)發(fā)一款既適合于醫(yī)院康復(fù)場(chǎng)景，又適用于家居康復(fù)場(chǎng)景的人機(jī)融合性好、操作簡(jiǎn)單、輕量化的下肢康復(fù)助力機(jī)器人顯得尤為重要。
華西醫(yī)療機(jī)器人研究院下屬精創(chuàng)石溪團(tuán)隊(duì)針對(duì)上述需求，研制了一款可為腦卒中患者提供主被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練和康復(fù)狀態(tài)檢測(cè)的坐站/行走康復(fù)助力機(jī)器人。此外，該機(jī)器人還可廣泛用于脊柱損傷、腦癱、帕金森、肌少癥等其他神經(jīng)及骨肌疾病患者的康復(fù)訓(xùn)練、以及老年人群的日常生活助力。
坐站/行走康復(fù)助力機(jī)器人
為了讓康復(fù)機(jī)器人的輔助運(yùn)動(dòng)更符合人機(jī)工效學(xué)，該系統(tǒng)采用少自由度連桿機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)其末端運(yùn)動(dòng)軌跡精確擬合人體肩關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡，在坐站和行走動(dòng)作中均可提供舒適的輔助運(yùn)動(dòng)，從機(jī)械結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了“讀懂”人體生理特征，并輸出匹配人體自然坐站運(yùn)動(dòng)的輔助力。在保證動(dòng)作正確性的基礎(chǔ)上，通過(guò)腋下、前臂、臀部吊帶多點(diǎn)支撐整個(gè)身體，從而規(guī)避因失去平衡而摔倒的風(fēng)險(xiǎn)。機(jī)器人自身少自由度、高折展比的連桿機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使其具有良好的多場(chǎng)景適應(yīng)能力，同時(shí)降低了控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度，提升了機(jī)器人輔助康復(fù)訓(xùn)練的安全性。
為了鼓勵(lì)患者通過(guò)自身意圖控制機(jī)器人進(jìn)行主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練，該機(jī)器人集成了柔性肌變傳感技術(shù)，其是繼肌電、腦電、心電、力肌圖等之后的新一代生理傳感技術(shù)，采用多通道、陣列化、高空間分辨率、均向高延展性的柔性傳感集成方案，能夠獲取多點(diǎn)位/全方位、高精度的人體生理數(shù)據(jù)。該傳感系統(tǒng)具有高靈敏度、高信噪比以及高柔性的特點(diǎn)，可在康復(fù)全周期中無(wú)感采集患者生理數(shù)據(jù)，并基于生物力學(xué)信息機(jī)器學(xué)習(xí)框架，建立起皮膚細(xì)微變形引起的電信號(hào)變化與皮下肌肉活動(dòng)的映射關(guān)系，從而搭建運(yùn)動(dòng)中肌肉動(dòng)態(tài)的多維度精準(zhǔn)模型，實(shí)現(xiàn)康復(fù)過(guò)程中機(jī)器人按需輔助以及康復(fù)前后肢體運(yùn)動(dòng)功能評(píng)價(jià)。
在此基礎(chǔ)上，該機(jī)器人又實(shí)現(xiàn)了肌電肌變信號(hào)共形感知，以彌補(bǔ)肌電信號(hào)感知存在的噪聲大、難精細(xì)化感知以及動(dòng)作信號(hào)難分割等缺點(diǎn)，并結(jié)合深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了高精度人體肌肉運(yùn)動(dòng)功能解析，準(zhǔn)確率高達(dá)98.6%， 真正做到了準(zhǔn)確“讀懂”人體運(yùn)動(dòng)意圖，為機(jī)器人實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)助力提供了有效可靠的數(shù)據(jù)來(lái)源。除醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域外，該感知技術(shù)可向智能穿戴、疾病預(yù)警、工業(yè)數(shù)字孿生、工業(yè)設(shè)備健康狀態(tài)監(jiān)控等方向拓展，實(shí)現(xiàn)跨領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
柔性肌變傳感系統(tǒng)及其肌肉運(yùn)動(dòng)功能解析云圖
▍華西醫(yī)療機(jī)器人研究院
2021年，成都市高新區(qū)政府以及四川大學(xué)華西醫(yī)院在面臨新的醫(yī)療設(shè)備國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中積極引入國(guó)內(nèi)外頂尖科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)或科研機(jī)構(gòu)，依托國(guó)家級(jí)科研平臺(tái)“轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)”，圍繞醫(yī)療機(jī)器人產(chǎn)業(yè)技術(shù)方向，建設(shè)了西部第一家集產(chǎn)學(xué)研為一體，以產(chǎn)業(yè)孵化為核心的新型綜合研發(fā)機(jī)構(gòu)“華西醫(yī)療機(jī)器人研究院”。研究院主體于2022年3月成立華西精創(chuàng)醫(yī)療科技（成都）有限公司，目前擁有國(guó)家級(jí)人才3人、省級(jí)人才6人、教授和研究員30余人。圍繞醫(yī)療手術(shù)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)技術(shù)方向，突破醫(yī)療機(jī)器人中配準(zhǔn)與空間映射技術(shù)、圖像處理技術(shù)以及人機(jī)交互技術(shù)等技術(shù)瓶頸，形成跨學(xué)科、跨機(jī)構(gòu)、跨國(guó)界的協(xié)同創(chuàng)新體系，彌補(bǔ)國(guó)內(nèi)在胸腔穿刺手術(shù)、關(guān)節(jié)手術(shù)、脊柱手術(shù)、介入手術(shù)、康復(fù)、護(hù)理、急診、ICU以及放射檢驗(yàn)科機(jī)器人及高端醫(yī)療設(shè)備產(chǎn)品上的空白， 實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)與國(guó)際一流水平同步。
▍華西醫(yī)療機(jī)器人研究院精創(chuàng)石溪團(tuán)隊(duì)
團(tuán)隊(duì)由多名國(guó)家及省級(jí)海外高層次人才組成，圍繞康復(fù)及輔助機(jī)器人產(chǎn)業(yè)方向，努力提升智能康復(fù)及輔助技術(shù)的可及性，目前已牽頭承擔(dān)國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃子課題、四川省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等10余項(xiàng)國(guó)家及省級(jí)科研項(xiàng)目，發(fā)表30余篇國(guó)際頂級(jí)期刊論文，公開(kāi)及授權(quán)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利20余項(xiàng)，擁有人機(jī)剛?cè)狁詈线\(yùn)動(dòng)技術(shù)、人機(jī)協(xié)同柔順控制技術(shù)、多模態(tài)生理信號(hào)柔性感知技術(shù)等全棧自研技術(shù)，研制出末端驅(qū)動(dòng)式坐站/行走康復(fù)機(jī)器人、步態(tài)訓(xùn)練康復(fù)機(jī)器人、上肢康復(fù)機(jī)器人、頸部康復(fù)機(jī)器人、柔性肌變傳感系統(tǒng)，讓醫(yī)療康復(fù)及輔助技術(shù)更加智能化和柔性化。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)已與華西醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)中心、華西醫(yī)院國(guó)家老年疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心、面向關(guān)鍵器件的創(chuàng)新成果產(chǎn)業(yè)化公共服務(wù)平臺(tái)（工信部）、四川省機(jī)械研究設(shè)計(jì)院（集團(tuán)）有限公司開(kāi)展深度合作，旨在形成多學(xué)科多領(lǐng)域交叉融合的研究成果和產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目。
