文/本刊記者 郭瀟雅

在強大的醫(yī)工交叉技術支撐下，清華長庚醫(yī)院康復醫(yī)學科研發(fā)了一系列智能康復技術，推動了學科的高質量發(fā)展，更好地造福患者。

現如今，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)后盡早開展康復治療，可最大程度改善患者預后，并減少痙攣、疼痛、廢用綜合征等并發(fā)癥。隨著康復新技術的發(fā)展，可供選擇的康復方法越來越多，但由于個體間存在差異，運動功能恢復的神經可塑性機制尚不明確，導致卒中患者康復訓練結局差異較大。

近日，依托清華大學附屬北京清華長庚醫(yī)院（以下簡稱“清華長庚醫(yī)院”）與清華大學緊密結合的醫(yī)工交叉平臺，清華長庚醫(yī)院康復醫(yī)學科主任潘鈺、醫(yī)師翟曉雪，與清華大學機械系教授季林紅、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訓練處方下的運動功能差異性恢復，研發(fā)出可預測患者預后的遷移學習模型，為實現腦卒中精準康復提供了新思路。

據了解，康復醫(yī)學科是該院重點科室，是國家級康復住院醫(yī)師培訓基地，先后獲得醫(yī)院青年文明號、先進集體、優(yōu)秀教學團隊等稱號，近5年來規(guī)范化培訓的住院醫(yī)師、進修醫(yī)師、康復治療師500余人，獲得病患和同行的高度認可。科室致力于“精準康復”的探索，去年與清華大學醫(yī)學院聯合研發(fā)的多模態(tài)足踝康復機器人融合了人機交互、腦機接口、人-機-電融合與智能控制等關鍵技術，以黑科技極大推動了科室向精準康復的邁進。

20 萬人次

清華長庚醫(yī)院康復醫(yī)學科收治來自全國各地疑難復雜康復病例，年門診量1 萬例，年康復治療量 20 萬人次。

研發(fā)機器人

什么是“精準康復”？在潘鈺看來，精準康復是根據患者的功能問題進行客觀定量評價，并提供可最大程度開展功能預后的有效方案。這里有3個關鍵詞，也是精準康復的重點和難點。

一是患者的功能問題，如何能精準評價康復患者的功能問題是精準康復的基礎，所謂精準評價是要準確且能定量地分析康復問題；二是最大程度地提高功能預后，要在關鍵時機采用最適宜的手段，幫助患者最大程度地恢復其功能，提高功能預后水平是精準康復的重要內涵；三是有效康復方案，康復不僅要重過程，更要重結果，康復醫(yī)生一定要明確，選擇的康復治療是不是一定能有效幫助患者。

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

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

潘鈺告訴記者，初代的足踝機器人就是足踝牽伸機械裝置，在定量評價和試驗中，發(fā)現腦卒中患者小腿肌肉僵硬度與運動功能相關，通過足踝牽伸訓練會顯著提高運動功能、平衡功能和步行功能。但在臨床研究中，雖然足踝機器人有一定的療效，卻對主動肌力恢復效果不理想。因此，研發(fā)團隊積極聯合清華大學的醫(yī)工轉化團隊，在北京市自然科學基金——海淀聯合創(chuàng)新基金的支持下，開始研發(fā)更為高級的腦機接口足踝康復機器人，希望進一步提高腦功能重塑和功能康復療效。

潘鈺介紹，在這一機器人的研發(fā)過程中，幾個團隊共同研發(fā)了支持無線互聯的足踝康復機器人柔性動力人機交互組件，開發(fā)了足踝關節(jié)運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機器人，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，構建了新型人機交互康復機器人訓練平臺。

客觀評價顯示，腦機接口足踝康復機器人可顯著改善患者踝關節(jié)主動關節(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)康復訓練相比，腦機接口足踝康復機器人訓練進一步改善了腦卒中患者足踝痙攣，提示新型康復訓練技術提高了患者神經控制能力。對于發(fā)病早期、具備良好言語和認知功能、能良好溝通和執(zhí)行訓練的腦卒中患者，其神經重塑機會大大增多，通過20天的強化訓練，足下垂和“劃圈”步態(tài)有效改善，不僅提高了康復療效，也縮短了康復治療時間。

實現“可預測”

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

這次的研究通過采用傳統(tǒng)訓練方案和康復機器人訓練的兩組數據進行分析，在康復訓練中對于患者多維度生理信息及行為表現的準確評估與特征進行提取，之后將提取的特征輸入到構建的深度學習預后模型，通過卷積神經網絡模型訓練及優(yōu)化，得到可適用于不同康復訓練處方的模型參數組合，由此方法構建的人工智能模型，可學習作用機制相似的康復訓練和關鍵特征參數，從而在人工牽拉、機器人輔助牽拉間進行遷移，并對康復機器人訓練的預后進行預測，其準確率達到了91.07%。簡單地說，就是通過遷移學習在康復領域的應用，突破了多數康復訓練處方無法預測預后的重大瓶頸。

患者使用腦機接口足踝康復機器人進行訓練。

“這就意味著，當我們面對一位腦卒中患者，經過對神經功能和運動功能的評價后，就可以精準地預測康復機器人訓練是否會達到預期效果，進而實現精準康復處方，而不是經驗式的處方。這種技術用到足踝康復可以說是國內外首創(chuàng)，是未來康復醫(yī)學領域顛覆性、革命性技術。現在，我們對康復預后判斷和康復方案選擇有了精準的指導和科學的方案了，這在20年前我剛剛進入康復醫(yī)學領域時，是根本不敢想象的?！迸蒜暭拥卣f。

這項醫(yī)工緊密合作產生的多學科交叉科研成果“用于預測中風患者預后的遷移學習模型:面向腦卒中患者的精準康復” （A transferable deep learning prognosis model for predicting stroke patients）被國際生物醫(yī)學和健康信息學領域的權威期刊《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)院康復醫(yī)學科會在重癥康復、社區(qū)康復、運動健康等領域重點發(fā)展，積極開展可穿戴設備、人機交互、數字處方、再生醫(yī)療等技術的轉化研究，為康復醫(yī)學創(chuàng)新發(fā)展注入新鮮血液和活力。相信在強大的醫(yī)工交叉技術支撐下，康復醫(yī)學會突飛猛進地發(fā)展，助力“健康中國”建設。