文/本刊記者 郭瀟雅

在強(qiáng)大的醫(yī)工交叉技術(shù)支撐下，清華長庚醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科研發(fā)了一系列智能康復(fù)技術(shù)，推動了學(xué)科的高質(zhì)量發(fā)展，更好地造?；颊摺?/p>

現(xiàn)如今，腦卒中已成為我國成年人致殘率最高的疾病，研究表明，病情平穩(wěn)后盡早開展康復(fù)治療，可最大程度改善患者預(yù)后，并減少痙攣、疼痛、廢用綜合征等并發(fā)癥。隨著康復(fù)新技術(shù)的發(fā)展，可供選擇的康復(fù)方法越來越多，但由于個體間存在差異，運(yùn)動功能恢復(fù)的神經(jīng)可塑性機(jī)制尚不明確，導(dǎo)致卒中患者康復(fù)訓(xùn)練結(jié)局差異較大。

近日，依托清華大學(xué)附屬北京清華長庚醫(yī)院（以下簡稱“清華長庚醫(yī)院”）與清華大學(xué)緊密結(jié)合的醫(yī)工交叉平臺，清華長庚醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科主任潘鈺、醫(yī)師翟曉雪，與清華大學(xué)機(jī)械系教授季林紅、助理研究員李翀、博士林秉儒通力合作，針對腦卒中患者在不同康復(fù)訓(xùn)練處方下的運(yùn)動功能差異性恢復(fù)，研發(fā)出可預(yù)測患者預(yù)后的遷移學(xué)習(xí)模型，為實現(xiàn)腦卒中精準(zhǔn)康復(fù)提供了新思路。

據(jù)了解，康復(fù)醫(yī)學(xué)科是該院重點(diǎn)科室，是國家級康復(fù)住院醫(yī)師培訓(xùn)基地，先后獲得醫(yī)院青年文明號、先進(jìn)集體、優(yōu)秀教學(xué)團(tuán)隊等稱號，近5年來規(guī)范化培訓(xùn)的住院醫(yī)師、進(jìn)修醫(yī)師、康復(fù)治療師500余人，獲得病患和同行的高度認(rèn)可?？剖抑铝τ凇熬珳?zhǔn)康復(fù)”的探索，去年與清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院聯(lián)合研發(fā)的多模態(tài)足踝康復(fù)機(jī)器人融合了人機(jī)交互、腦機(jī)接口、人-機(jī)-電融合與智能控制等關(guān)鍵技術(shù)，以黑科技極大推動了科室向精準(zhǔn)康復(fù)的邁進(jìn)。

20 萬人次

清華長庚醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科收治來自全國各地疑難復(fù)雜康復(fù)病例，年門診量1 萬例，年康復(fù)治療量 20 萬人次。

研發(fā)機(jī)器人

什么是“精準(zhǔn)康復(fù)”？在潘鈺看來，精準(zhǔn)康復(fù)是根據(jù)患者的功能問題進(jìn)行客觀定量評價，并提供可最大程度開展功能預(yù)后的有效方案。這里有3個關(guān)鍵詞，也是精準(zhǔn)康復(fù)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

一是患者的功能問題，如何能精準(zhǔn)評價康復(fù)患者的功能問題是精準(zhǔn)康復(fù)的基礎(chǔ)，所謂精準(zhǔn)評價是要準(zhǔn)確且能定量地分析康復(fù)問題；二是最大程度地提高功能預(yù)后，要在關(guān)鍵時機(jī)采用最適宜的手段，幫助患者最大程度地恢復(fù)其功能，提高功能預(yù)后水平是精準(zhǔn)康復(fù)的重要內(nèi)涵；三是有效康復(fù)方案，康復(fù)不僅要重過程，更要重結(jié)果，康復(fù)醫(yī)生一定要明確，選擇的康復(fù)治療是不是一定能有效幫助患者。

一款好的康復(fù)設(shè)備在精準(zhǔn)康復(fù)中尤為重要，相對于上肢運(yùn)動康復(fù)設(shè)備而言，目前研發(fā)的足踝康復(fù)設(shè)備較少。臨床常用的有足踝矯形器和功能性電刺激等，但由于足踝康復(fù)難度較高，這些方法康復(fù)效率低、康復(fù)療效有限。發(fā)展新型足踝功能康復(fù)治療技術(shù)以提高腦卒中康復(fù)療效，是世界各國科學(xué)家的重要科學(xué)研究任務(wù)和目標(biāo)。

為此，早在五年前，潘鈺就產(chǎn)生了研發(fā)足踝康復(fù)機(jī)器人幫助患者恢復(fù)功能的想法，并嘗試通過足踝牽伸的機(jī)械裝置，來評估腦卒中患者的小腿肌肉功能，在此基礎(chǔ)上，自主研發(fā)了機(jī)械牽伸和評估工具，還申請了發(fā)明專利。

潘鈺告訴記者，初代的足踝機(jī)器人就是足踝牽伸機(jī)械裝置，在定量評價和試驗中，發(fā)現(xiàn)腦卒中患者小腿肌肉僵硬度與運(yùn)動功能相關(guān)，通過足踝牽伸訓(xùn)練會顯著提高運(yùn)動功能、平衡功能和步行功能。但在臨床研究中，雖然足踝機(jī)器人有一定的療效，卻對主動肌力恢復(fù)效果不理想。因此，研發(fā)團(tuán)隊積極聯(lián)合清華大學(xué)的醫(yī)工轉(zhuǎn)化團(tuán)隊，在北京市自然科學(xué)基金——海淀聯(lián)合創(chuàng)新基金的支持下，開始研發(fā)更為高級的腦機(jī)接口足踝康復(fù)機(jī)器人，希望進(jìn)一步提高腦功能重塑和功能康復(fù)療效。

潘鈺介紹，在這一機(jī)器人的研發(fā)過程中，幾個團(tuán)隊共同研發(fā)了支持無線互聯(lián)的足踝康復(fù)機(jī)器人柔性動力人機(jī)交互組件，開發(fā)了足踝關(guān)節(jié)運(yùn)動功能實施在線評定算法與軟件平臺，研發(fā)了可穿戴式主動肌與拮抗肌雙通道生物反饋模塊組件，建立了基于視覺跟蹤的注意力與主動運(yùn)動意愿監(jiān)測硬件平臺。最終，系統(tǒng)不僅可以通過腦電信號控制足踝康復(fù)機(jī)器人，還可通過肌電和眼動信號提供多信息互動反饋，融合多種人體生理信息，構(gòu)建了新型人機(jī)交互康復(fù)機(jī)器人訓(xùn)練平臺。

客觀評價顯示，腦機(jī)接口足踝康復(fù)機(jī)器人可顯著改善患者踝關(guān)節(jié)主動關(guān)節(jié)活動度、背屈和跖屈肌力、下肢功能評分、平衡功能和日常生活能力。和傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練相比，腦機(jī)接口足踝康復(fù)機(jī)器人訓(xùn)練進(jìn)一步改善了腦卒中患者足踝痙攣，提示新型康復(fù)訓(xùn)練技術(shù)提高了患者神經(jīng)控制能力。對于發(fā)病早期、具備良好言語和認(rèn)知功能、能良好溝通和執(zhí)行訓(xùn)練的腦卒中患者，其神經(jīng)重塑機(jī)會大大增多，通過20天的強(qiáng)化訓(xùn)練，足下垂和“劃圈”步態(tài)有效改善，不僅提高了康復(fù)療效，也縮短了康復(fù)治療時間。

實現(xiàn)“可預(yù)測”

盡管足踝康復(fù)機(jī)器人極大提高了康復(fù)水平，但并不意味著所有患者都需要采用機(jī)器人來進(jìn)行康復(fù)。哪些患者用傳統(tǒng)治療手法就可以恢復(fù)足踝功能？哪些患者需要通過機(jī)器人來有效恢復(fù)足踝功能？帶著這些問題，潘鈺帶領(lǐng)團(tuán)隊找到了清華大學(xué)機(jī)械系，再次踏上了科技攻關(guān)道路。

這次的研究通過采用傳統(tǒng)訓(xùn)練方案和康復(fù)機(jī)器人訓(xùn)練的兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在康復(fù)訓(xùn)練中對于患者多維度生理信息及行為表現(xiàn)的準(zhǔn)確評估與特征進(jìn)行提取，之后將提取的特征輸入到構(gòu)建的深度學(xué)習(xí)預(yù)后模型，通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練及優(yōu)化，得到可適用于不同康復(fù)訓(xùn)練處方的模型參數(shù)組合，由此方法構(gòu)建的人工智能模型，可學(xué)習(xí)作用機(jī)制相似的康復(fù)訓(xùn)練和關(guān)鍵特征參數(shù)，從而在人工牽拉、機(jī)器人輔助牽拉間進(jìn)行遷移，并對康復(fù)機(jī)器人訓(xùn)練的預(yù)后進(jìn)行預(yù)測，其準(zhǔn)確率達(dá)到了91.07%。簡單地說，就是通過遷移學(xué)習(xí)在康復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用，突破了多數(shù)康復(fù)訓(xùn)練處方無法預(yù)測預(yù)后的重大瓶頸。

患者使用腦機(jī)接口足踝康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行訓(xùn)練。

“這就意味著，當(dāng)我們面對一位腦卒中患者，經(jīng)過對神經(jīng)功能和運(yùn)動功能的評價后，就可以精準(zhǔn)地預(yù)測康復(fù)機(jī)器人訓(xùn)練是否會達(dá)到預(yù)期效果，進(jìn)而實現(xiàn)精準(zhǔn)康復(fù)處方，而不是經(jīng)驗式的處方。這種技術(shù)用到足踝康復(fù)可以說是國內(nèi)外首創(chuàng)，是未來康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域顛覆性、革命性技術(shù)?，F(xiàn)在，我們對康復(fù)預(yù)后判斷和康復(fù)方案選擇有了精準(zhǔn)的指導(dǎo)和科學(xué)的方案了，這在20年前我剛剛進(jìn)入康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域時，是根本不敢想象的?！迸蒜暭拥卣f。

這項醫(yī)工緊密合作產(chǎn)生的多學(xué)科交叉科研成果“用于預(yù)測中風(fēng)患者預(yù)后的遷移學(xué)習(xí)模型:面向腦卒中患者的精準(zhǔn)康復(fù)” （A transferable deep learning prognosis model for predicting stroke patients）被國際生物醫(yī)學(xué)和健康信息學(xué)領(lǐng)域的權(quán)威期刊《IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics》正式錄用并在線發(fā)表。

潘鈺表示，未來3年，清華長庚醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科會在重癥康復(fù)、社區(qū)康復(fù)、運(yùn)動健康等領(lǐng)域重點(diǎn)發(fā)展，積極開展可穿戴設(shè)備、人機(jī)交互、數(shù)字處方、再生醫(yī)療等技術(shù)的轉(zhuǎn)化研究，為康復(fù)醫(yī)學(xué)創(chuàng)新發(fā)展注入新鮮血液和活力。相信在強(qiáng)大的醫(yī)工交叉技術(shù)支撐下，康復(fù)醫(yī)學(xué)會突飛猛進(jìn)地發(fā)展，助力“健康中國”建設(shè)。