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为肢体残疾患者插上希望的翅膀
访我校第十六届中国研究生电子设计竞赛技术类一等奖获奖团队
发布日期:2021-09-14 阅读次数:10 来源单位:党委宣传部(新闻中心挂靠)  责任编辑:范苏

据我国残疾人联合会发布的数据显示,如今我国残疾人数已达到8000多万,占中国人口的 6.21%,其中肢体残疾人数的占比最高。生活自理能力的丧失不仅给患者自身带来了沉重的心理压力,对其家庭和社会造成莫大的负担。怎样从技术层面上帮助患者恢复或重建运动功能,已成为当前康复医学领域着力研究的重点之一。来自信息科学技术学院的研究生王雪梅、吴艳、楼雄杰通过反复研究实验,创造性地将功能性电刺激与运动想象相结合,研发出了基于运动想象的瘫痪双下肢实时康复训练控制系统,为患者康复带来了希望。不久前,该作品更是获得了第十六届中国研究生电子设计竞赛技术类一等奖。

探索创新,勇攀高峰

“传统的肢体康复训练方法有借助可穿戴的外骨骼机器人进行辅助运动和功能性电刺激等。”队长王雪梅介绍道。但是,这些常用的康复手段往往只能对肢体进行固定模式的训练,缺少患者的主动参与和反馈,治疗效果往往会差强人意。于是团队开始思考有没有一种方法可以使患者主动参与进来,这时候脑—机接口技术(Brain-Computer Interface, BCI)中的运动想象吸引了团队成员的注意力。

运动想象脑电信号是自发脑电信号的一种,当受试对象按照指示执行相应部位运动想象时,虽然没有实际运动输出,大脑皮层的特定区域仍会激发响应,随之产生规律性变化的脑电信号,通过检测识别不同脑区的激活效果来判断用户意图,进而实现人脑与外部设备之间的直接通信控制。

“之前运动想象通常运用于智能车控制系统、无人机驾驶领域,我们想尝试把它融入到康复设计和动物实验上。” 吴艳说。作为一种新型的智能交互技术,BCI系统会让患者更加积极地调节脑部相关神经活动产生想象冲动,使得肢体瘫痪的患者能够通过主观意识实现部分肢体运动功能的重建,从而有望改善康复治疗的效果,促进患者肢体功能的恢复。真正意义上做到了“所思”即“所动”。

项目的另一大创新便是对于脊髓中调控下肢步态节律运动的神经元网络——中枢模式发生器(Central Pattern Generator, CPG) 的规律发现。团队经过大量的小鼠实验和研究发现,脊髓对称分布的左右两侧都有且只有一个受激励信号极性影响的诱发左右腿交替动作的CPG位点,并且刺激信号极性与运动模式存在明确的关联性。“当我想象伸右腿动作时,就会触发正脉冲信号,激活CPG产‘右后左前’的运动模式,当想象伸左腿运动,则会触发负脉冲信号,激活CPG产生‘左后右前’运动模式。”楼雄杰解释道。

有了这项发现,队员只需要在小鼠的脊柱上找到相应的CPG位点进行刺激便可以达到理想效果,相比起传统功能性电刺激需要协同多块肌肉组建刺激,这种刺激系统需要的电极数量少,刺激时序简单,避免了对多块参与步态协同的肌肉群直接刺激而造成肌肉疲劳。

直面困难,矢志不渝

科学研究不会一帆风顺。“系统首先需要受试者完成相应的想象任务,比如想象伸左腿或是伸右腿,然后再对想象的脑电信号进行识别处理。” 王雪梅介绍道。因此,能否正确识别到受试对象的运动意图是整个实验是否成功的关键。为了将准确率提升到最高,在算法方面,团队采用空域滤波方法将时域特征和频域特征相结合进行特征提取,用线性判别分析算法对信号进行模式分类;在实验方面,团队成员会在实验前专门对受试的志愿者进行培训,熟悉整个实验流程。

“当时我们也会自己当受试者,总结出经验和规律。”王雪梅笑着说。作为受试者,很多时候她都需要佩戴脑电帽做实验,但脑电帽上带有干电极,具有尖锐的接触面,不能佩戴时间过久。“每次做完实验,头皮的那几个位点特别疼,但是还要坚持。”终于,在团队的不懈努力下,系统识别准确率高于90%,保证了整个运动控制系统的可靠性。

完成脑电信号识别之后,处理的结果会通过虚拟现实外围网络协议进行数据传输到团队设计的步态控制器,产生正极或者负极脉冲作用在小鼠的CPG位点上,使小鼠做出对应伸左腿或者右腿的作用的动作,这里面又存在一个难点。

“寻找小鼠身上的CPG是整个实验耗时最长的部分。”在团队中负责动物实验的吴艳说道。CPG位点的寻找需要在大鼠的脊椎找到对应的节段,确定了之后在那一点进行解刨。不同的大鼠CPG位点寻找的难易程度不同。“有时候试了几十只大鼠也得不到比较满意的结果,心态就很崩溃,但是队友们都会鼓励我再试一次。”吴艳回忆起当时做实验的过程还是历历在目,“现在非常感谢当时的自己可以坚持下来。”

一直以来,不管是参赛还是平时的基础研究,团队成员都投入了百分之百的努力,也更是凭着这股冲劲儿。除了在各项科技创新赛事上获奖,他们对于CPG位点规律的发现更是申请到了五项专利。

追求完美,精益求精

“这是一支分工非常明确,有态度、有目标的团队。”团队的指导老师、信息科学技术学院沈晓燕教授评价道。王雪梅负责有关脑-机接口方面的研究,吴艳负责动物实验,楼雄杰负责硬件方面的工作。“虽然每个人负责的方向有所不同,但哪个队员有困难,只要喊一声,大家都会来帮忙。”王雪梅说,“对于这套系统来说,团队配合非常的重要,每一个环节不能出错。”

为了在比赛中交出一份满意的答卷,每天上午九点,队员们就会来到实验室,一直到晚上甚至半夜才会结束,几乎所有的时间都泡在了实验室里。“我们几乎一整个暑假都没有休息。” 楼雄杰笑着说。就这样,团队成员们互相配合、互相鼓励,一起攻克了一个又一个难关。

而在整个比赛过程中,最令队员们印象深刻的就是展示视频的拍摄。“相比起实验,比赛中的呈现也非常重要。”为了选出一个完美的实验视频,团队总共拍了上百条视频。队长王雪梅的手机相册中全是做实验的视频,甚至手机一度没有内存。“每拍完一个都觉得能拍的更好。”秉持着追求完美的心理,在比赛的前一天,队员们仍然在进行视频拍摄,而队员们的苦心也没有白费,在这一天团队终于拍出了比之前都要好的视频。

除了自身的努力,这一切还离不开指导老师沈晓燕的付出。“老师对我们的要求非常的高。”王雪梅回忆说,“但是我现在非常感谢老师的高要求。”为了使得每一个细节都呈现得完美,沈晓燕老师变身成为“细节狂魔”:她会经常和团队成员在线上开腾讯会议进行演讲练习,小到语速、肢体语言,每一个细节都要到位;论文从内容的删改到排版的方式每一项都要一一过关;对于PPT的制作,每一页更是字字斟酌,甚至连图片是否加边框都要考虑进去。“我自己的理念就是要尽善尽美,别人是无法控制的,但是我们可以让自己更好。”指导老师说道。

在团队成员的眼中,整个项目研究是一个互相认可、互相信任的过程,同时这是也一个值得享受的过程。未来,团队希望能够继续精进,从有创往无创的方向进行研究,也希望能有那么一天,这套系统可以真正作用于人体身上,给传统康复训练带来突破,为肢体残疾患者插上希望的翅膀。

(校报学生记者 李淑媛 钟钰婷)

我校第十六届中国研究生电子设计竞赛技术类一等奖获奖团队。


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