华西医疗机器人研究院打造更懂你的下肢康复机器人
发布日期:2023-02-19      浏览次数:    
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脑卒中俗称"中风",是一种急性脑血管疾病,其病因主要是患者脑部血管突然破裂或阻塞导致血液不能流入大脑而引起脑组织损伤,进而出现长期性的半身无力、半身不遂等临床症状,导致患者日常生活活动能力降低,影响生活质量。



坐站转移是人们日常生活中最常见的功能活动之一,也是完成床椅转移、椅厕转移等常见体位转移的基础。脑卒中患者在坐站转移时下肢负重存在不对称性,增加了跌倒风险。对患者进行科学高效的坐站转移训练,有助于下肢功能恢复及平衡能力改善,是提高患者日常生活质量的基础。



传统康复方式以治疗师辅助患者康复为主,在转移患者、引导动作等环节中治疗师耗费了大量体力,患者也无法获得较好的康复体验。采用下肢康复机器人辅助患者进行训练,能将治疗师从繁重体力劳动中解放出来,使其将主要精力放在动作规范指导上。



现有下肢康复机器人系统大多结构复杂且控制难度高,多适用于综合型医院和专业康复医疗机构;另外,由于公共医疗资源有限,患者无法在医院进行长期康复治疗。因此,开发一款既适合于医院康复场景,又适用于家居康复场景的人机融合性好、操作简单、轻量化的下肢康复助力机器人显得尤为重要。



华西医疗机器人研究院下属精创石溪团队针对上述需求,研制了一款可为脑卒中患者提供主被动康复训练和康复状态检测的坐站/行走康复助力机器人。此外,该机器人还可广泛用于脊柱损伤、脑瘫、帕金森、肌少症等其他神经及骨肌疾病患者的康复训练、以及老年人群的日常生活助力。




坐站/行走康复助力机器人



为了让康复机器人的辅助运动更符合人机工效学,该系统采用少自由度连杆机械结构设计,以实现其末端运动轨迹精确拟合人体肩关节运动轨迹,在坐站和行走动作中均可提供舒适的辅助运动,从机械结构上实现了“读懂”人体生理特征,并输出匹配人体自然坐站运动的辅助力。在保证动作正确性的基础上,通过腋下、前臂、臀部吊带多点支撑整个身体,从而规避因失去平衡而摔倒的风险?;魅俗陨砩僮杂啥?、高折展比的连杆机械结构设计使其具有良好的多场景适应能力,同时降低了控制系统的复杂程度,提升了机器人辅助康复训练的安全性。



为了鼓励患者通过自身意图控制机器人进行主动康复训练,该机器人集成了柔性肌变传感技术,其是继肌电、脑电、心电、力肌图等之后的新一代生理传感技术,采用多通道、阵列化、高空间分辨率、均向高延展性的柔性传感集成方案,能够获取多点位/全方位、高精度的人体生理数据。该传感系统具有高灵敏度、高信噪比以及高柔性的特点,可在康复全周期中无感采集患者生理数据,并基于生物力学信息机器学习框架,建立起皮肤细微变形引起的电信号变化与皮下肌肉活动的映射关系,从而搭建运动中肌肉动态的多维度精准模型,实现康复过程中机器人按需辅助以及康复前后肢体运动功能评价。



在此基础上,该机器人又实现了肌电肌变信号共形感知,以弥补肌电信号感知存在的噪声大、难精细化感知以及动作信号难分割等缺点,并结合深度卷积神经网络实现了高精度人体肌肉运动功能解析,准确率高达98.6%, 真正做到了准确“读懂”人体运动意图,为机器人实现精准助力提供了有效可靠的数据来源。除医疗康复领域外,该感知技术可向智能穿戴、疾病预警、工业数字孪生、工业设备健康状态监控等方向拓展,实现跨领域产业化应用。




柔性肌变传感系统及其肌肉运动功能解析云图

 

▍华西医疗机器人研究院



2021年,成都市高新区政府以及四川大学华西医院在面临新的医疗设备国际竞争中积极引入国内外顶尖科技创新团队或科研机构,依托国家级科研平台“转化医学国家重大科技基础设施平台”,围绕医疗机器人产业技术方向,建设了西部第一家集产学研为一体,以产业孵化为核心的新型综合研发机构“华西医疗机器人研究院”。研究院主体于2022年3月成立华西精创医疗科技(成都)有限公司,目前拥有国家级人才3人、省级人才6人、教授和研究员30余人。围绕医疗手术机器人产业技术方向,突破医疗机器人中配准与空间映射技术、图像处理技术以及人机交互技术等技术瓶颈,形成跨学科、跨机构、跨国界的协同创新体系,弥补国内在胸腔穿刺手术、关节手术、脊柱手术、介入手术、康复、护理、急诊、ICU以及放射检验科机器人及高端医疗设备产品上的空白, 实现关键技术与国际一流水平同步。

 

▍华西医疗机器人研究院精创石溪团队



团队由多名国家及省级海外高层次人才组成,围绕康复及辅助机器人产业方向,努力提升智能康复及辅助技术的可及性,目前已牵头承担国家自然科学基金、国家重点研发计划子课题、四川省重点研发计划等10余项国家及省级科研项目,发表30余篇国际顶级期刊论文,公开及授权国家发明专利20余项,拥有人机刚柔耦合运动技术、人机协同柔顺控制技术、多模态生理信号柔性感知技术等全栈自研技术,研制出末端驱动式坐站/行走康复机器人、步态训练康复机器人、上肢康复机器人、颈部康复机器人、柔性肌变传感系统,让医疗康复及辅助技术更加智能化和柔性化。同时,团队已与华西医院康复医学中心、华西医院国家老年疾病临床医学研究中心、面向关键器件的创新成果产业化公共服务平台(工信部)、四川省机械研究设计院(集团)有限公司开展深度合作,旨在形成多学科多领域交叉融合的研究成果和产业项目。

 


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