国家自然科学基金地区间合作项目 | 老年人活动风险评估与家庭智能康复设备开发及应用

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       随着社会老龄化，社会医疗压力对基于家庭或社区的老年人健康监测和康复提出了新的要求。本项目联合两岸科研和康复专业机构，开发了老年人健康活动能力监测技术，基于生物力学原理开发机器人辅助训练模式和康复设备，建设了家庭和社区为中心的老年人健康自我管理平台。

       在国家自然科学基金国际合作（组织地区间）项目支持下，完成了基础研究、设备开发和应用研究三部分。

● 基础研究方面，通过临床对照实验，比较老年人群和青年对照人群的运动特征，筛选敏感度高、可重复性强和易于测量评估的指标系统，作为老年人活动风险评估策略和健康评价标准。

● 设备开发方面，开发了一套智能化人体运动与康复监测辅助系统，包含基于Android系统的健康监测应用软件和整合多传感器和系统硬件结构的设备；此外，针对老年人活动障碍患者，开发了一套可穿戴式柔性机器人以及与之匹配的康复训练虚拟现实场景和训练方案。

● 应用研究方面，针对开发的智能化设备，进行了多中心临床测试。

图1  老年人健康监测与临床测试系统平台

1.软体康复手套设计开发

       基于线驱的软体康复手套采用仿生学原理，以线绳代替人手部的肌腱来牵引手部弯曲，是一种更为理想的驱动方式。较刚性外骨骼相比，其优势是重量轻、舒适度高、可穿戴性好、而且与人手部的生理结构更加贴合；较气动执行器相比，不需要高压充气，因此结构更为简单，不存在压力过高或材料生产不合格带来的安全风险。该手套可以通过手机APP控制，可实现单指、多指八种不同的运动，如图2所示，同时设置语音输入功能，通过语音方式实现更好的人机交互效果。

图2  手功能康复柔性训练机器人

2.VR场景搭建

       基于现代医学上的运动想象和镜像治疗理论，开发了一套针对脑卒中患者手部康复的虚拟现实系统，以实现更加逼真的视觉刺激以及镜像场景。整个系统包括医生登陆和患者登录两个入口，分为医生治疗方案、患者信息存储、康复场景三个功能区。康复场景包括三种：示教场景、镜像场景与游戏场景（如图3所示）。利用VR技术开发的康复训练场景，能够大大提高患者训练的主动性及趣味性。软体康复手部与VR康复场景相结合，构成了一种多模态的手部康复系统，可实现物理与神经双重刺激，更有利于患者康复。

图3  基于VR康复场景的康复手套及APP界面

3.基于fNIRS探究软体康复手套与VR场景对大脑激活的影响

       实验招募9名男性健康受试者（25.8±3.2 years，右利手，矫正视力正常），每名受试者均进行3次实验，每次间隔一周。采集指浅屈肌与指总伸肌肌电信号保证被动运动的有效性。使用丹阳慧创近红外脑功能成像设备检测大脑皮层激活情况。实验设置三个对照组：（1）单纯主被动运动；（2）结合VR场景的被动运动；（3）结合VR场景的主动运动。实验发现，主动运动时大脑皮层激活程度明显高于静息态（红色为激活，蓝色为未激活），被动运动时与静息态无明显差别，而基于VR场景的主被动训练都能出现明显激活现象。

图4：基于fNIRS探究大脑皮层激活的实验结果

      项目团队在康复机器人领域知名期刊（IEEE等）发表论文12篇，申获国家发明专利8项，参编学术专著1部，成果为进一步探索家庭和社区养老助残模式提供了产品技术基础和临床数据，目前正在报批医疗器械二类注册证，推进成果产业化进程，该项目对于解决老龄化社会中老年人肌衰弱、中风后康复等具有重要作用。

       该项目执行期间项目负责人指导学生获首都挑战杯特等奖（2019）、北航冯如杯大赛一等奖（2020）、北京市生物力学博士生论坛优秀论文奖（2018）等，项目负责人获国家自然科学基金委优青基金资助（2019）、中关村医工谷创新创业路演大赛优秀奖（2019），项目关键技术和产品入选中关村产业基地孵化项目（2019）、江苏省苏州市创新创业领军人才计划（2020）。

项目负责人介绍

       王丽珍，北京航空航天大学生物与医学工程学院教授/博导、生物力学与力生物学教育部重点实验室副主任。国家自然科学基金委优青基金获得者（2018），北航青年拔尖人才计划（2016）、蓝天新秀（2012）等。主要从事损伤与康复生物力学、防护与康复设备和植介入器械设计与先进制造等相关研究，在生物医学工程领域期刊Brit J Sport Med, Acta Biomater, Mater Design, J Biomech等发表论文80余篇，申/获国家发明专利50余项，积极推进创新型医疗器械及康复装备临床应用及产业转化，获教育部自然科学奖一等奖（2016）、黄家驷生物医学工程奖一等奖（2017）等；担任中国科协生物力学科普团队专家组成员、北京市生物医学工程高精尖创新中心科普基地负责人，获全国百优科普视频奖、年度50强科普创客奖。兼任世界华人生物医学工程协会理事、世界华人生物医学工程青年委员会主席、国际矫形与创伤外科学会（SICOT）基础组委员、中国力学学会/中国生物医学工程学会生物力学专业委员会委员（第九届）；受邀担任计算生物力学领域国际SCI期刊Comput Method Biomec (CMBBE)副主编、《医用生物力学》编委（第七届）。