北航学子研发“脑卒中康复机器人” 实现意念控制

海浓茶道 发表于 2017-12-9 07:52:30
脑卒中是一种危险的急性脑血管疾病,多发于中老年群体。发病后由于脑神经组织受到损伤,即使抢救回了生命,康复效果也常常难以令人满意。脑卒中的传统康复手段,主要是按摩和被动器械运动。

在前不久举办的iCAN国际创新创业大赛中,北京航空航天大学大四学生魏彦兆团队研发的“脑卒中康复机器人”获得了北京赛区一等奖。该机器人可以让病人自主控制双手运动,在运动中康复大脑中枢及周围神经系统和运动系统,目前已在市内部分医院投入测试。魏彦兆也正式组建公司开始创业,研发成果有望转化成产品,推向市场。
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研发灵感

“想造一个属于自己的‘阿凡达’”

2014年,魏彦兆考入北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院,就读于自动化专业。进入大学没多久,这个名副其实的“技术控”就开始一些技术上的摸索。大一时,魏彦兆尝试着开发一款班级管理软件,虽然没有研发成功,却为他的技术研发道路开启了“新世界的大门”;大二那年,他再次试水,帮一家公司研发出一款基于室内定位技术的扫地机器人,赚取了人生的第一桶金。

“平时就喜欢看科幻电影,特别是《阿凡达》。”魏彦兆不仅对技术研发有着近乎痴迷的热情,谈起科幻电影也滔滔不绝。看到电影里的主人公能用自己的意念控制“阿凡达”,他萌生了一个新奇大胆的想法,“大脑控制太神奇了,我也想研发一个‘阿凡达’。”

魏彦兆“脑洞大开”的想法,得到导师——自动化科学与电气工程学院副院长李阳的支持。“李老师是机器学习、脑信号分析算法、脑机接口等领域的专家,有了他的支持,我少走了很多弯路。”魏彦兆说,考虑到个人资源有限,他开始在学校里“招贤纳士”,最终组建了一个40人的科研团队。阅读文献、编写代码、协调团队……两年时间里,他几乎把所有的精力都放在“脑卒中康复机器人”的研发上,“虽然累,但我觉得非常充实,很快乐。”

攻克难题

“‘拦路虎’越多,动力就越大”

“脑卒中康复机器人”的关键是能采集、感应脑电波的脑电帽,使用何种材料制作脑电帽,一度让魏彦兆很犯愁。一开始,团队想用时下最热门的3D打印,但很快发现这个法子行不通,“人的颅骨形状是不一样的,3D打印的帽子形状规整,很难有效贴合每个人的头皮,这会大大影响脑电波的采集效果。”经过多次讨论和实验,团队最终找到能使电极与头皮高度贴合的布料,制作成脑电帽。

然而“拦路虎”不止一个。很快,团队就发现,最初制作的脑电帽有一个很大的缺陷,脑电波传输过程中噪声污染太大,影响计算芯片的判断。为了攻克难题,在导师的推荐下,今年1月,魏彦兆专门南下前往宁波智能制造产业研究院,学习脑电信号处理算法的实验设计,包括实验数据采集、信号处理、设备控制等一整套方法。

这次充电回来,魏彦兆带领团队对脑电帽进行了改造,加入了静电屏蔽线,又在信号放大器中置入专门设计的电路板,解决了传输噪声问题,“‘拦路虎’越多,我们往前冲的动力就越大。困难并不可怕,只要敢于面对挑战。”
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科学原理

计算机驱动脑电信号指挥肢体动作

采访中,魏彦兆和团队成员向记者演示了“脑卒中康复机器人”的运行原理。在他们的指导下,记者戴上康复机器人的脑电帽和线驱动外骨骼手套,体验了一次“用意念控制双手”的神奇旅程。

“这是我们设计的软件,配合康复机器人的运作。”魏彦兆打开电脑,屏幕中出现5个小的正方形,中心图案带有一个十字形的光标。记者用意念感知左右方向,神奇的一幕出现了,戴着线驱动外骨骼手套的手竟然随着感知的方向移动起来。

据魏彦兆介绍,脑电帽中有9个接触点,分别对接大脑中的左右手功能区。运行时,这9个接触点会采集人的脑电信号,然后通过放大器传输给计算机,计算机对脑电信号进行处理识别,然后通过单片机下命令,驱动手套外骨骼进行相应的运动。对于那些脑部受到损伤、无法全部支配自己肢体的人来说,这样的意念控制能帮助他们提高生活自理能力。

“在与北京部分康复医院的临床测试中,我们又有了新的发现。”魏彦兆说,使用了康复机器人的脑卒中病人,其脑部受损区域神经元之间的连接竟然可以再生,“这意味着机器人可以帮助脑卒中患者进行脑部康复治疗。”而在此之前,脑卒中患者的康复临床治疗大多只是外周神经干预方式,康复也只是进行肢体恢复,并不直接涉及大脑。

成果落地

“项目研发要从市场需求出发”

将脑电控制技术应用于教育、娱乐等领域已经不是新鲜事,但是在临床医疗上的应用还比较少,魏彦兆“嗅”到了商机,决定将科研成果转化成产品,推向市场。前段时间,已通过初步临床测试的“脑卒中康复机器人”已被送至辽宁某代工工厂进行批量生产,下一步将正式走向临床。

除了“脑卒中康复机器人”,魏彦兆团队的多个交叉科研项目也已转化落地。其中,“断指仿生康复手套”已与积水潭医院合作进行临床测试,未来将为医院、患者带去不少福音。

“过去,患者断指需要在医院依靠大型康复设备进行康复,且康复周期需要半年之久,治疗费用高达30万元。”李阳告诉记者,“断指仿生康复手套”让患者在家就可以进行康复训练,恢复周期亦可缩短至1个月,个人护理成本仅需1万元。

市场有了,产品丰富了,团队人员壮大了,成立公司的想法便油然而生。今年8月,魏彦兆在工商部门注册成立了北京棋弈智能科技有限公司,开始了自己的创业生涯。如今,成立不到4个月的公司逐渐步入正轨,建立了技术部、市场部、文化发展部、法律部等,形成了完整的架构,员工总人数超过40人,其中人数最多的技术部就占了30余人。

“项目研发要从市场需求出发,这样才能体现它存在的社会价值。”魏彦兆说,团队的每一个项目最终都要回归市场需求,病人的痛苦减少了,就医成本降低了,治疗效率提高了,这是团队最愿意看到的,“今后,我们会继续努力,研发更多对社会有用的产品。”

来源:昌平报
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