康复机器人是非常重要的康复方式,目前多通过硬件来控制:如机械按钮、操纵杆、平板电脑等。硬件控制的优点是稳定明确,但患者接受的是被动运动。虽然患者可主动参与,但不可避免的是,其参与的动机会自然消退,甚至会出现患者训练时瞌睡的尴尬局面。
事实上,我们还可通过更高级的运动意图识别来控制。
运动意图识别控制
运动意图识别这项技术,对患者康复极具意义。它充分调动和维持了运动的主动性,促进有效性最大化。丰富的随机对照试验和系统综述已经证明了这一点。
运动意图识别的方式主要有三种
一、脑电信号意图识别
脑电信号意图识别植入电极最理想的方式是将电极放置在颅骨内,硬脑膜外,直接采集皮层的电活动。这种方式的最大优势是,第一时间就能被采集下来。但是植入电极在运动皮质位置的选择和固定,以及植入过程的有创操作,还有医学伦理等问题,使这种方式尚不能在人体验证使用。
目前成熟的方式是:通过一个布满电极的帽子,在颅骨外、头皮外进行脑电信号的采集。这种方式无创、可接受程度高。缺点是:脑电信号在穿透脑膜、颅骨、筋膜、头皮的过程中,发生了深刻的变化,造成了去噪解读的复杂。但通过技术处理后依然是目前最可接受的方式。
通过脑电的信号进行意图识别,信号直接及时,如果在操作便捷、解读准确、可重复性等方面达到要求后,被视为理想的意图识别方式,是真正的意图识别。巴西研究者已经通过脑机接口控制外骨骼机器人的方式,实现了令人惊讶的显著有效性。
二、肌电信号意图识别
运动意图从运动皮质产生,向下传递。通过皮质脊髓束,到达脊髓前角,换神经元后,经由外周神经到达神经肌接头,进而引起肌肉收缩,肌肉收缩力大于肢体重力时,即产生动作,这个过程是需要时间的。在神经冲动到达神经肌接头时,我们即可在肢体皮肤表面采集到电信号,此时肌肉还没有收缩,因为肌肉的收缩需要一个募集和启动的过程。在肌肉收缩之前, 我们就可以在皮肤表面采集到电信号,提早时间以毫秒计。
通过表面肌电信号的采集,我们提前识别出患者的运动意图。这种方式非常适合肌肉软瘫、神经肌接头疾病、重症肌无力等肌肉本身疾病的功能康复,以及生活辅助、肌电假肢等应用场景。此技术结合康复机器人对上下肢康复、假肢辅具等都有应用。高密度表面肌电的识别更具价值。
三、力传感器意图识别
力传感器意图识别分为力矩传感器和压电传感器。肌肉收缩带动关节运动,进而对传感器施加了力,传感器也就采集到了患者的运动意图。其实,此时已不是运动意图识别了,而是运动效应检测,因为其相对于意图的产生,有严重的滞后性。压电传感器、重心偏移检测、足底压力检测等,道理一样。
那诸如此类的价值在哪里呢?在于患者恢复后期,虽有产生肌肉收缩和力,但不足以支撑自己的运动。所以,此时需要将传感器结合电机,用电机输出再补上一部分力,来满足实际需要。力矩传感器结合电机,我们称之为“关节模组”。目前有些康复机器人正是采用了这样的方式。
以上就是为了增加康复机器人的有效性和辅助性,采用的三种运动意图识别的方式。脑电意图识别多用于康复早中期,也就是常说的“脑机接口”,后期使用效果也不错。肌电意图识别多用于康复中后期和假肢辅具,力矩传感器意图识别多用于康复后期。
意图信号的处理识别,随着机器学习算法的应用,也已经到了新的发展阶段,另外通过肌肉型态学,通过综合行为特征等,进行数据学习识别亦在规划中。
仅用于学术交流,不用于商业行为,若有侵权及疑问,请后台留言,管理员即时删侵!